Придется переписывать учебники биологии. Биохимический анализ показал, что клетки содержат вдвое больше структур, чем считалось ранее. Открытием мы обязаны искусственному интеллекту.
Компьютерная графика, показывающая внутреннюю часть клеток, в последнее время стала популярной в Интернете. Ошибочно названная «фотографией», она поражает своей сложностью и точностью отображения таких элементов, как ядро, митохондрии, аппарат Гольджи или эндоплазматическая сеть (также называемая ретикулумом). Однако, как оказалось, эта графика имеет еще меньше общего с реальностью, чем мы думали.
Ученым давно известно, что клетки имеют более сложную структуру, чем описывается в учебниках биологии. Теперь нам наконец удалось заглянуть вглубь клеток и открыть совершенно новые структуры, – говорит профессор Трей Идекер из Калифорнийского университета, медицинский факультет Сан-Диего. Он является одним из авторов открытия, подробности которого опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Не всё в клетках можно увидеть под микроскопом
Знание того, из чего сделаны наши клетки, – основа биологии. Нарушения в работе, например, ядра клетки или митохондрий приводят к серьезным заболеваниям. Вот почему цитология, то есть наука о клеточной структуре, имеет решающее значение, среди прочего, в для развития медицины.
Наша информация об этом поступает из двух основных источников. Первый – микроскопическое наблюдение, которое чаще всего требует уничтожения клетки и окрашивания ее компонентов различными химическими соединениями. Такой подход ограничивает возможность получения точных данных. Кроме того, микроскопы затрудняют просмотр структур меньшего размера, чем те, которые имеют размер микрометра (миллионная часть метра, то есть тысячная часть миллиметра).
Второй источник, позволяющий изучать структуры размером, измеряемым в нанометрах (миллиардных долях метра, то есть миллионных долях миллиметра), – это биохимические исследования. Используя такие методы, как специфические антитела, ученые могут понять структуру и распределение тех частей клетки, которые нельзя увидеть под микроскопом. Чаще всего это отдельные белки или белковые комплексы.
Искусственный интеллект обнаруживает новые структуры в клетках
Как перейти от микрометра к нанометровому масштабу в исследованиях? Долгое время биология не могла с этим справиться. Помогло только использование алгоритмов искусственного интеллекта, – поясняет проф. Идекер.
Раковые клетки образуют «щупальца» для кражи энергии. Так они защищаются от иммунной системы
Проблема в том, что исследования, особенно биохимические, предоставляют массу данных, которые людям сложно систематизировать. Поэтому исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Королевского технологического института в Стокгольме и Стэнфордского университета, доверили эту задачу компьютерному алгоритму под названием MuSIC (Multi-Scale Integrated Cell). Он может создать цифровую модель интерьера клетки путем обработки имеющихся данных.
Ученые протестировали MuSIC на клетках человека почек, исходя из лабораторной селекции. Результаты анализа удивили ученых, так как показали, как неполным наше знание о цитологии.
Алгоритм обнаружил вдвое больше элементов ячеек, чем описано до сих пор
Алгоритм MuSIC обнаружил около 70 компонентов в клетках почек. Половина из них – это структуры, о которых наука раньше не знала. Оказался среди них, в частности, белковый комплекс, занимающийся обработкой нити РНК. Эти молекулы играют ключевую роль в синтезе белка в клетках. Также используется в современных вакцинах например , на COVID-19.
Ученые подчеркивают, что модель, созданная алгоритмом, не описывает пространственную структуру клетки. Однако он указывает на связи между его элементами, которые в живом организме могут перемещаться и изменяться в зависимости от ситуации. Такая карта упрощает понимание внутриклеточных процессов.
Исследование, описанное в Nature, является лишь предварительной демонстрацией потенциала MuSIC. Ученые изучили только один тип клеток и только 661 из тысяч белков, обнаруженных в этих клетках. – Следующий шаг – аккуратно пройти через всю клетку почки. Затем мы будем изучать другие клетки человека, клетки разных людей и разных видов организмов. Это значительно расширит наши познания в цитологии, – заявляет проф. Идекер.
