W internecie niedawno popularność zyskała grafika komputerowa pokazująca wnętrze komórki. Niesłusznie nazywana „fotografią”, zadziwiała złożonością i precyzyjnym odwzorowaniem elementów takich jak jądro, mitochondria, aparat Golgiego czy siateczka endoplazmatyczna (zwana też retikulum). Jak się jednak okazuje, ta grafika ma jeszcze mniej wspólnego z rzeczywistością, niż sądziliśmy.

– Naukowcy od dawna wiedzieli, że komórki mają bardziej złożoną budowę, niż ta opisywana w podręcznikach do biologii. Teraz w końcu udało nam się zajrzeć w głąb komórek i odkryć zupełnie nowe struktury – mówi prof. Trey Ideker z wydziału medycznego Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. To jeden z autorów odkrycia, którego szczegóły opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”.

Nie wszystko w komórkach można zobaczyć pod mikroskopem

Wiedza o tym, z czego zbudowane są nasze komórki, to podstawa biologii. Zakłócenia w pracy np. jądra komórkowego czy mitochondriów prowadzą do poważnych chorób. Dlatego cytologia, czyli nauka o budowie komórek, jest kluczowa m.in. dla rozwoju medycyny.

Nasza informacje na ten temat pochodzą z dwóch głównych źródeł. Pierwsze to obserwacje mikroskopowe, które najczęściej wymagają zabicia komórki i wybarwienia jej składników różnymi związkami chemicznymi. Takie podejście ogranicza możliwość zdobycia dokładnych danych. Poza tym przez mikroskopy trudno dostrzec struktury mniejsze niż mierzące mikrometr (milionową część metra, czyli tysięczną część milimetra).

Drugie źródło, pozwalające na badanie struktur o wielkości mierzonej w nanometrach (miliardowych częściach metra, czyli milionowych częściach milimetra), to badania biochemiczne. Dzięki stosowaniu metod takich jak specyficzne przeciwciała, naukowcy mogą poznać strukturę i rozmieszczenie tych elementów komórki, których nie widać pod mikroskopem. Najczęściej są to poszczególne białka lub kompleksy białkowe.

Sztuczna inteligencja odkrywa nowe struktury w komórkach

– Jak w badaniach przejść ze skali mikrometrów do nanometrów? Przez długi czas biologia nie umiała sobie z tym poradzić. Pomogło dopiero zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji – wyjaśnia prof. Ideker.

Problem polega na tym, że badania – zwłaszcza biochemiczne – dostarczają mnóstwa danych, które ludziom trudno jest uporządkować. Dlatego badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Królewskiego Instytutu Technologicznego w Sztokholmie i Uniwersytetu Stanforda powierzyli to zadanie komputerowemu algorytmowi nazwanemu MuSIC (Multi-Scale Integrated Cell). Potrafi on stworzyć cyfrowy model wnętrza komórki, przetwarzając dostępne dane.

Uczeni przetestowali MuSIC na komórkach ludzkich nerek, pochodzących z laboratoryjnej hodowli. Wyniki analizy zaskoczyły uczonych, ponieważ pokazały, jak niekompletna jest nasza wiedza na temat cytologii.

Algorytm odkrył dwa razy więcej elementów komórki niż do tej pory opisano

Algorytm MuSIC znalazł w komórkach nerki ok. 70 elementów składowych. Aż połowa z nich to struktury, których nauka wcześniej nie znała. Znalazł się wśród nich m.in. kompleks białkowy zajmujący się obróbką nici RNA. Te cząsteczki odgrywają kluczową rolę w syntezie białek w komórkach. Są też wykorzystywane w nowoczesnych szczepionkach, np. na COVID-19.

Uczeni podkreślają, że model stworzony przez algorytm nie opisuje przestrzennej budowy komórki. Wskazuje natomiast na powiązania między jej elementami, które w żywym organizmie mogą się przemieszczać i zmieniać, zależnie od sytuacji. Taka mapa ułatwia zrozumienie procesów wewnątrzkomórkowych.

Opisane w „Nature” badanie to zaledwie wstępna demonstracja możliwości MuSIC. Uczeni badali tylko jeden typ komórek i zaledwie 661 z tysięcy białek występujących w tych komórkach. – Następny etap to dokładne przejście przez całą komórkę nerki. Potem przebadamy inne komórki człowieka, komórki różnych ludzi i różnych gatunków organizmów. To ogromnie poszerzy naszą wiedzę na temat cytologii – zapowiada prof. Ideker.

Źródło: Nature.