Biologičtí inženýři vyvíjejí algoritmus pro srovnání buněk mezi druhy – s úžasnými výsledky

Vědci vytvořili algoritmus k identifikaci podobných druhů buněk – včetně ryb, myší, plochých červů a hub – které se rozdělily po stovky milionů let, což by mohlo pomoci překlenout mezery v našem chápání evoluce.

Buňky jsou stavebními kameny života, které se nacházejí v každém živém organismu. Jak moc si ale myslíte, že vaše buňky připomínají myš? Ryba? červ?

Porovnání typů buněk u různých druhů napříč stromem života může biologům pomoci pochopit, jak typy buněk vznikly a jak se přizpůsobily funkčním potřebám různých forem života. To v posledních letech vzrostlo v zájmu evolučních biologů, protože nová technologie nyní umožňuje sekvenovat a identifikovat všechny buňky ve všech úplných organismech. „Ve vědecké komunitě skutečně existuje vlna, která klasifikuje všechny typy buněk v široké škále různých organismů,“ vysvětlil Bo Wang, profesor biologického inženýrství na Stanfordské univerzitě.

V reakci na tuto příležitost vyvinula Wangova laboratoř algoritmus pro propojení podobných typů buněk s evolučními vzdálenostmi. Jejich metoda, podrobně popsaná v článku publikovaném 4. května 2021 v eLife, Navrženo pro srovnání buněčných typů u různých druhů.

Pro svůj výzkum tým použil sedm druhů k porovnání 21 různých párování a byl schopen identifikovat typy buněk, které existují u všech druhů, spolu s jejich podobnostmi a rozdíly.

Porovnávání typů buněk

Podle Alexandra Trashanského, postgraduálního studenta biologického inženýrství, který pracuje ve Wangově laboratoři, přišel nápad vytvořit algoritmus, když Wang jednoho dne přišel do laboratoře a zeptal se ho, jestli by mohl analyzovat datové sady buněčného typu od dvou různých červů v laboratoři studuje. stejný čas.

„Byl jsem ohromen, jaké jsou mezi nimi rozdíly,“ řekl Trashansky, který byl hlavním autorem příspěvku a je interdisciplinárním pracovníkem ve Stanfordu. „Mysleli jsme si, že by měly mít podobné typy buněk, ale když se je pokusíme analyzovat pomocí standardních technik, metoda podobné nezjistí.“

Přemýšlel, jestli to byl problém s technikou, nebo jestli se typy buněk příliš lišily na to, aby se shodovaly mezi pohlavími. Trashansky tedy začal pracovat na algoritmu, aby lépe odpovídal buněčným typům mezi pohlavími.

„Řekněme, že chci přirovnat houbu k člověku,“ řekl Tershansky. „Opravdu není jasné, který gen houby je kompatibilní s jakým genem člověka, protože když se organismy vyvíjejí, geny se replikují, mění se, replikují se znovu. A tak teď máte jeden gen houby, který může být spojen s mnoha geny u lidí.“

Místo toho, aby se pokusili najít shodu gen-to-one jako předchozí metody shody dat, metoda mapování vědců odpovídá jednomu genu v houbě se všemi příslušnými lidskými geny. Pak algoritmus nadále rozumí tomu, co je správné.

Trashansky říká, že pokus najít pouze jeden pár genů najednou omezil vědce, kteří v minulosti dokázali mapovat buněčné typy. „Myslím si, že hlavní inovací je to, že si pro dlouhodobá srovnání vážíme vlastností, které se změnily během stovek milionů let evoluce.“

„Jak můžeme použít vyvíjející se geny k identifikaci stejného typu buněk, které se neustále mění také u různých druhů?“ Řekl Wang, který je hlavním autorem příspěvku. „Evoluce byla chápána prostřednictvím genů a vlastností organismu. Myslím, že jsme nyní ve vzrušujícím bodě obratu, abychom překlenuli váhy sledováním toho, jak se buňky vyvíjejí.“

Naplňuje strom života

Pomocí jejich mapovacího přístupu tým objevil řadu konzervovaných genů a rodin buněčných typů všech druhů.

Trashansky uvedl, že vrcholem studie bylo, když porovnávali kmenové buňky mezi dvěma velmi odlišnými plochými červy.

“Skutečnost, že jsme v jejich populacích kmenových buněk našli shody jeden na jednoho, byla opravdu vzrušující,” řekl. „Myslím, že ve skutečnosti otevřela spoustu nových a vzrušujících informací o tom, jak vypadají kmenové buňky uvnitř parazitického ploštěnka, který infikuje stovky milionů lidí po celém světě.“

Výsledky týmového mapování také naznačují silné zachování vlastností neuronů a svalových buněk od velmi jednoduchých typů zvířat, jako jsou houby, až po složitější savce, jako jsou myši a lidé.

„Opravdu to naznačuje, že tyto buněčné typy vznikly ve velmi rané fázi vývoje zvířat,“ řekl Wang.

Nyní, když tým vytvořil nástroj pro srovnání buněk, mohou vědci pokračovat ve sběru dat o široké škále druhů pro analýzu. Jak se shromažďuje a porovnává více souborů dat, biologové budou schopni sledovat cestu buněčných typů v různých organismech a zlepší se schopnost identifikovat nové buněčné typy.

„Pokud máte jen houby a pak červy a chybí vám vše mezi tím, je těžké vědět, jak se vyvinuly buňky typů hub nebo jak se jejich předkové valili do hub a červů,“ řekl Trashansky. „Chceme vyplnit co nejvíce uzlů podél Stromu života, abychom mohli usnadnit tento typ evoluční analýzy a přenosu znalostí mezi druhy.“

Odkaz: „Atlasové mapování jednotlivých buněk napříč metazoa eliminuje vývoj buněčného typu“ Alexander J. Trashansky, Jacob Mussar, Margarita Khariton, Fangyang Li, Datlav Arendt, Stephen R. Quayk a Bo Wang, 4. května 2021 eLife.
DOI: 10,7554 / eLife.66747

Mezi další spoluautory ve Stanfordu patří postgraduální studenti Margarita Khariton a Pengyang Lee a Stephen Quayke, profesor Lee Oterson z biologického inženýrství a profesor aplikované fyziky a spolupředseda společnosti Bio-Chub Chan Zuckerberg. Další spoluautoři jsou z Evropské laboratoře molekulární biologie a univerzity v Heidelbergu. Wang je také členem Stanford Bio-X a Wu-Tsai Institute of Neuroscience. Quake je také členem Bio-X, Stanfordského kardiovaskulárního institutu, Stanfordského institutu proti rakovině a Wu-Tsai Institute of Neuroscience.

Tato studie byla financována společností Stanford Bio-X, cenou Beckman Young Researcher Award a National Institutes of Health. Wang and Vibration bude na této práci stavět jako součást iniciativy Neuro-Omics financované Wu Tsai Institute of Neuroscience.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.