تتيح التكنولوجيا القائمة على الذكاء الاصطناعي التي تم تطويرها في مختبر الدكتورة ليات كيرين رؤية غير مسبوقة للعمليات في أنسجة الجسم
تعمل أنظمة الذكاء الاصطناعي بشكل سحري في العديد من مجالات علوم الحياة - فهي تساعد في فك رموز هياكل البروتين، وكشف الأنماط المخفية في الجينوم، ومعالجة كميات هائلة من البيانات البيولوجية والطبية. في الدراسة نشرت في المجلة العلمية طبيعة التكنولوجيا الحيويةيعمل علماء معهد وايزمان للعلوم على تسخير قدرات الذكاء الاصطناعي لتمكينهم من الحصول على رؤى غير مسبوقة حول أنسجة الجسم. التكنولوجيا الجديدة التي تم تطويرها في مجموعة أبحاث الدكتور ليات كيرين في قسم علم الأحياء الخلوية الجزيئية، يسمح لنا بمراقبة المزيد من البروتينات في عينة الأنسجة أكثر من أي وقت مضى، ويمثل قفزة كبيرة إلى الأمام في دراسة التركيب الخلوي للأنسجة.
"للحصول على صورة واضحة للأنسجة وفهم كيفية عملها، يجب قياس أكبر عدد ممكن من البروتينات التي تعمل فيها في نفس الوقت"، يوضح الدكتور كيرين. هذا ضروري لفهم نشاط الأنسجة، وهو أساسي لفهم الأمراض. ففي السرطان، على سبيل المثال، قد يؤثر فهم تركيب أنسجة الورم وكيفية تفاعل أنواع الخلايا المختلفة فيه على فعالية العلاج، أو يتنبأ بالمرضى الذين لديهم فرصة أفضل للشفاء.
وعلى النقيض من الطرق المقبولة حاليًا والتي توفر معلومات عن ثلاثة أو أربعة بروتينات فقط في المرة الواحدة، فإن التكنولوجيا الجديدة، المسماة CombPlex، تزيد بشكل كبير من عدد البروتينات التي يمكن دراستها في عينة الأنسجة: فقد أثبتت بالفعل في مرحلة "إثبات الجدوى" من التكنولوجيا، القدرة على قياس حوالي عشرين بروتينًا في وقت واحد في خلية واحدة، ولكن في المستقبل قد يصل هذا العدد إلى مئات البروتينات. وبالإضافة إلى تحسين قدرات التصوير، فإن التكنولوجيا الجديدة لا تتطلب معدات إضافية تتجاوز تلك المتوفرة بالفعل في المختبرات، وبالتالي قد تكون متاحة للاستخدام على نطاق واسع.
الباركود لكل بروتين
لقد أدى وضع علامات على البروتينات باستخدام علامات فلورية إلى تحفيز البحث في هذا المجال في العقود الأخيرة، ولكن له أيضًا قيود بصرية واضحة: عندما يتم وضع علامات على العديد من البروتينات بألوان مختلفة في نفس عينة الأنسجة، فقد تتداخل العلامات وتجعل الصورة غير قابلة للقراءة. يمكن التغلب على هذا القيد من خلال التصوير المتكرر - أي إزالة العلامات الموجودة وربط علامات جديدة - ولكن هذا النهج، الذي يسمى الفلورسنت الدوري، يستغرق وقتا طويلا ويسمح في نهاية المطاف بوضع علامات على بضع عشرات من البروتينات على الأكثر، من بين ملايين المتغيرات البروتينية المحتملة المنتجة على أساس ما يقرب من 20 ألف وصفة في الحمض النووي البشري.
"أردنا تطوير طريقة تصوير قادرة على التقاط المزيد من البروتينات في آنٍ واحد، بل جميعها في نهاية المطاف"، تصف الدكتورة كيرين رؤيتها، وتضيف استعارة من عالم التصوير الفوتوغرافي: "تخيل أنك تريد توثيق غرفة، لكنك لا تستطيع تصوير سوى ثلاثة أو أربعة أشياء في آنٍ واحد، مثل الطاولات والكراسي والشاشات. لتشمل النوافذ والسجاد والمصابيح، ستحتاج إلى التقاط عشرات الصور، ثم دمجها لتكوين صورة شاملة للغرفة. هدفنا هو توفير وسيلة لالتقاط صورة كاملة للغرفة، بما في ذلك جميع عناصرها، بنقرة واحدة".
وللقيام بذلك، اعتمد الباحثون في البداية نهجًا تركيبيًا: حيث قاموا بتسمية كل جزيء بعدة علامات فلورية، بحيث يتم التعرف على كل بروتين من خلال مجموعة فريدة من الألوان التي تشكل نوعًا من الباركود. تتيح هذه الباركودات إمكانية وضع علامات على عدد كبير من الجزيئات باستخدام عدد صغير من الألوان - ومع زيادة عدد الألوان، يقفز عدد الباركودات المحتملة بشكل كبير. يتيح هذا إمكانية وضع علامات على المزيد من البروتينات في الأنسجة باستخدام عدد أقل من الأصباغ واستخدام وسائل آلية لمسح الباركود وقياس البروتينات. ولكن التحديات لم تنته عند هذا الحد: ففوق عدد معين من الرموز الشريطية، تمتزج الألوان ولم يعد من الممكن التمييز بين البروتينات المختلفة، حتى بالوسائل الميكانيكية.
وافترض الباحثون أن الذكاء الاصطناعي قد يكون قادرًا على التغلب على هذه العقبة. وبالتعاون مع الدكتور شاي بيجون من مركز الذكاء الاصطناعي التابع لمعهد وايزمان، قاموا بتطوير خوارزمية ذكاء اصطناعي مدربة على التمييز بين البروتينات في الأنسجة باستخدام صور المجهر الفلوري من مختبرات حول العالم. لقد اندهش فريق البحث، الذي ضم باحثين من مجالات الكيمياء الحيوية، وعلم المعلومات الحيوية، والرياضيات، من درجة النجاح: حيث تم تحليل الصور التي تظهر للعين البشرية على شكل تشابك فلوري كابوسي بنجاح بواسطة الخوارزمية إلى مكوناتها. وهكذا تم تطوير CombPlex - وهي طريقة تصوير بمساعدة الذكاء الاصطناعي لقياس العديد من البروتينات على مستوى الخلية الواحدة في عينة الأنسجة.
وبما أن التكنولوجيا الجديدة يمكن استخدامها بالاعتماد على المجاهر الفلورية الشائعة، فإنها قد تساهم بشكل كبير في تقدم أبحاث الأنسجة في كل من مختبرات الأبحاث والمستشفيات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الطريقة لا تقدم صورة أكثر اكتمالاً مقارنة بالطرق الحالية فحسب، بل إنها تفعل ذلك بشكل أسرع أيضاً: في غضون يوم أو يومين بدلاً من بضعة أسابيع. "نأمل أن يحل CombPlex محل الأساليب الحالية في المستقبل، لأنه يوفر نظرة شاملة ومتعمقة للأنسجة ويمكن أن يؤدي إلى رؤى سريرية أكثر دقة"، كما يقول الدكتور كيرين.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
