Результаты, опубликованные в октябре. 6 в Science Signaling онлайн до публикации, как полагают, знаменует собой первый раз, когда искусственный интеллект был использован для открытия молекулярной модели, объясняющей, почему некоторые группы клеток отклоняются от нормального развития во время эмбриогенеза, сказал старший автор Майкл Левин, доктор философии.D., Ванневар Буш, профессор биологии в Тафтс и директор Тафтского центра регенеративной биологии и биологии развития.
Статья основана на более ранних исследованиях центра, направленных на понимание развития и метастазирования меланомоподобных клеток у головастиков, а также на работе с применением искусственного интеллекта для объяснения регенерации планарии.
Новые результаты, по словам Левина, показывают, что «нашу методологию можно вывести далеко за рамки простых организмов и применить ее к физиологии поведения клеток у позвоночных."
Для работы с научными сигналами исследователи применили тип искусственного интеллекта, называемый эволюционными вычислениями, чтобы точно определить молекулярные механизмы, лежащие в основе более ранних исследований, в которых они вызвали метастазирование нормальных пигментных клеток у эмбриональных лягушек Xenopus laevis.
Исследователи использовали серию лекарств, чтобы нарушить нормальную биоэлектрическую и серотонинергическую передачу сигналов в клетках на решающей стадии развития. Даже при отсутствии повреждения ДНК или воздействия канцерогенов пигментные клетки пораженных эмбрионов приобретали причудливую, ветвистую форму и развивали другие меланомные характеристики, бесконтрольно размножаясь и вторгаясь во внутренние органы лягушек.
В зависимости от того, какой белок в биоэлектрическом пути был изменен, только у определенного процента лягушек развилась меланома, в то время как остальные остались здоровыми. "В этом процессе есть случайность. «Это не дает одинаковых результатов у всех животных, подвергшихся воздействию одного и того же агента, что может имитировать вариабельность реакции человека на вызывающие рак стимулы», – сказал Левин.
Кроме того, у головастиков, у которых действительно развилась меланома, она развивалась в каждой пигментной клетке – каждая лягушка была либо на 100% метастатической, либо полностью нормальной. По сути, сказал Левин, все пигментные клетки головастика являются частью одной монеты, которая либо переворачивает орел (нормальный), либо решка (злокачественный). «Метастазирование, по-видимому, является групповой динамикой, а не решением отдельной клетки», – сказал он.
Недавнее исследование применило эволюционные вычисления для понимания этого сложного поведения клеток.
Мария Лобикина, к.D., недавний аспирант лаборатории Левина и первый автор статьи о научных сигналах впервые идентифицировал строительные блоки – рецепторы, гормоны и другие сигнальные белки – серотонинергического сигнального пути, который регулирует поведение меланомоподобных клеток.
Затем команда применила искусственный интеллект, имитирующий эволюцию, для создания химической сигнальной сети в «виртуальном эмбрионе», который демонстрировал то же поведение, которое исследователи наблюдали в своих экспериментах с настоящими головастиками.
Подобно биологической эволюции, эволюционные вычисления не проверяют каждую возможность случайным образом или исчерпывающе, а вместо этого используют постепенное улучшение и отбор, чтобы быстро прийти к решению. "Система искусственного интеллекта прошла путь, который правильно объясняет все существующие и очень загадочные данные.
Лучше всего то, что он также делал правильные прогнозы на основе данных, которых никогда не видел », – сказал Левин.
Знания, полученные об этих молекулярных сигнальных путях, имеют значение для поиска новых методов лечения и мишеней для профилактики опухолей, а также для лучшего понимания многих других, казалось бы, случайных решений, принимаемых клетками живых организмов.
По словам Левина, когда будет доступно достаточно данных, исследователи могут использовать этот подход для разработки системы, которая поможет врачам понять индивидуальные генетические реакции пациентов на лечение, а также факторы окружающей среды, вызывающие рак.