אלגוריתם בינה מלאכותית ממפה מאפיינים של גושים של חלבון בהפרעות ניווניות

גושים של חלבונים הם השורש של מגוון רחב של הפרעות נוירודגנרטיביות המשפיעות על המוח כמו אלצהיימר ודמנציה. חוקרים מאוניברסיטת קופנהגן פיתחו כלי חדש שיכול לעזור למצוא ולחקור את גושי החלבון הזעירים הללו. התוצאות סוללות את הדרך להבנה טובה יותר של אבני הבניין הקטנות ביותר של הגוף וטיפול טוב יותר במחלות כמו סרטן, אלצהיימר ופרקינסון.

כמעט 100,000 דנים מעל גיל 65 ויותר מ-55 מיליון אנשים ברחבי העולם חיים עם הפרעות הקשורות לדמנציה כמו אלצהיימר ופרקינסון. מחלות אלו מתעוררות כאשר חלק מאבני הבניין הקטנות ביותר בגוף מתקבצות יחד והורסות תפקודים חיוניים. מדוע זה קורה וכיצד לטפל בו נותרה תעלומה מדעית. עד כה, לימוד התופעה היה מאוד מאתגר ומצומצם עקב היעדר הכלים הנכונים.

כעת, חוקרים ממעבדת Hatzakis במחלקה לכימיה של אוניברסיטת קופנהגן המציאו אלגוריתם למידת מכונה שיכול לעקוב אחר גושים מתחת למיקרוסקופ בזמן אמת. האלגוריתם יכול למפות ולעקוב באופן אוטומטי אחר המאפיינים החשובים של אבני הבניין המגושמות שגורמות לאלצהיימר והפרעות ניווניות אחרות. עד עכשיו, לעשות זאת היה בלתי אפשרי.

"בתוך דקות ספורות, האלגוריתם שלנו פותר אתגר שייקח לחוקרים מספר שבועות. שכעת יהיה קל יותר לחקור תמונות מיקרוסקופיות של חלבונים מתקבצים, בתקווה יתרום לידע שלנו, ובטווח הארוך יוביל לטיפולים חדשים למוח נוירודגנרטיבי הפרעות", אומר הדוקטור יעקב קסטל-האנסן מהמחלקה לכימיה, שלצד ניקוס חאצקיס הוביל את צוות המחקר מאחורי האלגוריתם.

המחקר פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Communications.

חלבונים מיקרוסקופיים זוהו תוך זמן קצר

ההתכנסות וההחלפה של תרכובות ואותות בין חלבונים ומולקולות אחרות מתרחשת מיליארדי פעמים בתוך התאים שלנו בתהליכים טבעיים המאפשרים לגופנו לפעול. אבל כאשר מתרחשות שגיאות, חלבונים יכולים להתקבץ יחד בדרכים המפריעות ליכולתם לעבוד כמתוכנן. בין היתר, הדבר עלול להוביל להפרעות ניווניות במוח ולסרטן.

אלגוריתם למידת מכונה של החוקרים יכול לזהות גושים של חלבון עד למיליארדית המטר בתמונות מיקרוסקופיות. במקביל, האלגוריתם יכול לספור ולאחר מכן לקבץ גושים לפי צורותיהם וגדליהם, כל זאת תוך מעקב אחר התפתחותם לאורך זמן. להופעת הגושים יכולה להיות השפעה גדולה על תפקודם ועל אופן התנהלותם בגוף, לטוב ולרע.

כאשר לומדים גושים דרך מיקרוסקופ, רואים במהירות, למשל, שחלקם עגולים יותר, בעוד שלאחרים יש מבנים חוטיים. וכן, הצורה המדויקת שלהם יכולה להשתנות בהתאם להפרעה שהם מעוררים. אבל לשבת ולספור אותם ידנית אלפים רבים של פעמים לוקח הרבה מאוד זמן, שאפשר לבזבז אותו טוב יותר על דברים אחרים".

Steen Bender מהמחלקה לכימיה, הכותבת הראשונה של המאמר

בעתיד, האלגוריתם יקל הרבה יותר ללמוד מדוע נוצרים גושים כדי שנוכל לפתח תרופות וטיפולים חדשים להילחם בהפרעות אלו.

"ההבנה הבסיסית של הגושים האלה תלויה בכך שנוכל לראות, לעקוב ולכמת אותם, ולתאר איך הם נראים לאורך זמן. אין שיטות אחרות שיכולות לעשות זאת באופן אוטומטי ואפקטיבי כרגע", הוא אומר.

הכלים זמינים בחינם לכולם

חוקרי המחלקה לכימיה נמצאים כעת בעיצומו של שימוש בכלי לביצוע ניסויים עם מולקולות אינסולין. כאשר מולקולות האינסולין מתקבצות, יכולתן לווסת את רמת הסוכר בדם שלנו נחלשת.

"אנו רואים את הגיבוש הלא רצוי הזה גם במולקולות האינסולין. הכלי החדש שלנו יכול לאפשר לנו לראות כיצד הגושים הללו מושפעים מכל התרכובות שאנו מוסיפים. בדרך זו, המודל יכול לעזור לנו לעבוד לקראת הבנת איך אפשר לעצור או להפוך אותם ל גושים פחות מסוכנים או יציבים יותר", מסביר יעקב קסטל-הנסן.

לפיכך, החוקרים רואים פוטנציאל גדול ביכולת להשתמש בכלי לפיתוח תרופות חדשות לאחר שאבני הבניין המיקרוסקופיות זוהו בבירור. החוקרים מקווים שעבודתם תתחיל איסוף ידע מקיף יותר על הצורות והתפקודים של חלבונים ומולקולות.

"כאשר חוקרים אחרים ברחבי העולם יתחילו לפרוס את הכלי, הוא יעזור ליצור ספרייה גדולה של מבני מולקולות וחלבונים הקשורים להפרעות שונות ולביולוגיה בכלל. זה יאפשר לנו להבין טוב יותר מחלות ולנסות לעצור אותן", מסכם ניקוס חאצקיס מהמחלקה לכימיה.

האלגוריתם זמין באופן חופשי באינטרנט כקוד פתוח וניתן להשתמש בו על ידי חוקרים מדעיים וכל מי שעובד כדי להבין את התקבצות של חלבונים ומולקולות אחרות.

המחקר בוצע על ידי: Steen WB Bender, Marcus W. Dreisler, Min Zhang, Jacob Kæstel-Hansen ו-Nikos S. Hatzakis מהמחלקה לכימיה בתמיכת מרכז נובו נורדיסק ל-Novo Nordisk Foundation for Optimized Oligo Escape and Control of Disease.