Innowacyjne badania nad reprogramowaniem komórek z wykorzystaniem sztucznej inteligencji rozpoczynają naukowcy z ośrodka IDEAS NCBR. Międzynarodowy zespół z ich udziałem opracuje zaawansowane metody obliczeniowe, które w przyszłości mogą się przyczynić do leczenia m.in. choroby Parkinsona.
Dr Andrzej Mizera otrzymał najwyższy grant w historii IDEAS NCBR, ośrodka badawczo-rozwojowego w dziedzinie sztucznej inteligencji. W ramach wartego 1,4 mln zł projektu EdgeCR opracuje wraz z zespołem zaawansowane metody obliczeniowe służące do efektywnego przekształcania komórek jednego typu w inny. Badania rozpoczną się w listopadzie i potrwają cztery lata.
Reprogramowanie komórek to proces modyfikacji aktywności genów w jądrze komórkowym, pozwalający na „cofnięcie” komórki do wcześniejszego etapu rozwoju, tj. do stadium pluripotencji. Następnie komórki mogą zostać „przeprogramowane” tak, by stały się np. komórkami nerwowymi lub komórkami mięśni szkieletowych. Proces reprogamowania może być wykorzystywany do modelowania w warunkach in vitro chorób genetycznych, chorób epigenetycznych i chorób środowiskowych. Mamy nadzieję, że w przyszłości, po dalszych żmudnych badaniach, reprogramowanie komórek, w połączeniu z technikami edycji genów i inżynierii tkankowej, pozwoli na leczenie chorób nowotworowych i rozwój medycyny regeneracyjnej – wyjaśnia dr Andrzej Mizera z IDEAS NCBR i adiunkt na Wydziale Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego.
Jego projekt to nie tylko nowatorskie podejście do reprogramowania komórek, ale także potencjalny krok milowy w kierunku lepszego zrozumienia mechanizmów działania sieci regulacji genów. Dzięki wykorzystaniu sztucznej inteligencji możliwe będzie stworzenie skalowalnych metod obliczeniowych, które pozwolą wyznaczać właściwy zestaw czynników reprogramowania i kolejność manipulacji przy dokonywaniu zmian w komórkach.
Wyzwanie dla naukowców
Tradycyjne metody reprogramowania komórek pozostają na razie mało wydajne i dokładne. Subtelne zmiany na poziomie poszczególnych interakcji między genami (tj. połączeń lub tzw. krawędzi w sieci regulacji genów) stanowią szczególne wyzwanie dla badaczy. Skuteczne leczenie złożonych chorób wymaga bardziej zaawansowanej technologii.
Istotnym problemem jest duża złożoność systemów komórkowych i ogromna liczba możliwych kombinacji czynników reprogramowania do rozpatrzenia, zwłaszcza przy jednoczesnym uwzględnieniu manipulacji genowych i krawędziowych. Dotychczasowe metody znajdowania odpowiednich takich kombinacji są bardzo kosztowne i czasochłonne.
Projekt EdgeCR ma szansę znacząco przyspieszyć postępy w tej dziedzinie. Zakłada stworzenie obliczeniowych modeli sieci regulacji genów, które będą mogły precyzyjnie odwzorować zarówno strukturalne, jak i dynamiczne cechy tych sieci. Dzięki zastosowaniu sztucznej inteligencji, w tym głębokiego uczenia przez wzmacnianie, możliwe będzie bardziej precyzyjne sterowanie procesem reprogramowania, co otwiera nowe perspektywy w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych.
Metody obliczeniowe, które opracujemy, zostaną przetestowane w kontekście choroby Parkinsona. Sprawdzimy w szczególności, czy nasze metody pozwolą na efektywną konwersję astrocytów w neurony dopaminergiczne – to właśnie zanikanie tych neuronów wywołuje chorobę Parkinsona. Nasze badania będą istotnym krokiem w stronę rekonstruowania neuronów i hamowania przebiegu tej choroby. Będzie to jednak jeden z bardzo wielu kroków wymaganych do osiągnięcia tego niezwykle trudnego celu – zapowiada dr Andrzej Mizera. – Choroba Parkinsona jest obecnie nieuleczalna i nasz projekt nie przyniesie na nią lekarstwa, pozwoli jednak na stworzenie metod, które mogą przyczynić się do tego rezultatu w dalszej przyszłości – dodaje.
AI wspiera rozwój biologii i nauk obliczeniowych
Projekt EdgeCR ma szansę wywrzeć znaczący wpływ na rozwój medycyny regeneracyjnej także dzięki współpracy z naukowcami z Luksemburga. To właśnie w laboratoriach Uniwersytetu Luksemburskiego opracowane metody obliczeniowe zostaną przetestowane w kontekście choroby Parkinsona.
Współpraca z naukowcami z Uniwersytetu Luksemburskiego pozwoli na opracowanie metod obliczeniowych, które będą uwzględniały nie tylko manipulacje polegające na włączaniu i wyłączaniu poszczególnych genów w komórce, ale także na ingerowaniu w pojedyncze interakcje pomiędzy parami genów. Takich metod aktualnie brakuje, a ich opracowanie jest kluczowe do lepszego zrozumienia funkcjonowania sieci regulacji genów i sterowania ich zachowaniem – mówi naukowiec z IDEAS NCBR.
Zaznacza, że projekt ma charakter interdyscyplinarny – wyniki uzyskane w obszarze nauk obliczeniowych i sztucznej inteligencji będą stymulowały rozwój w dziedzinie biologii i na odwrót.
Na realizację badań dr Andrzej Mizera uzyskał grant OPUS 26+ LAP/Weave. Prace polskiego zespołu sfinansuje Narodowe Centrum Nauki.
AST