ההבנה כיצד תאים מעבדים חומרים מזינים ומייצרים אנרגיה – המכונה ביחד מטבוליזם – חיונית בביולוגיה. עם זאת, ניתוח הכמויות העצומות של נתונים על תהליכים סלולריים כדי לקבוע מצבים מטבוליים היא משימה מורכבת.
ביולוגיה מודרנית מייצרת מערכי נתונים גדולים על פעילויות סלולריות שונות. מערכי נתונים "אומיקס" אלו מספקים תובנות לגבי פונקציות תאיות שונות, כגון פעילות גנים ורמות חלבון. עם זאת, שילוב והיגיון של מערכי נתונים אלה כדי להבין את חילוף החומרים בתאים הוא מאתגר.
מודלים קינטיים מציעים דרך לפענח את המורכבות הזו על ידי מתן ייצוגים מתמטיים של חילוף החומרים הסלולרי. הם פועלים כמפות מפורטות המתארות כיצד מולקולות מקיימות אינטראקציה ומתהמרות בתוך תא, ומתארות כיצד חומרים מומרים לאנרגיה ולמוצרים אחרים לאורך זמן. זה עוזר למדענים להבין את התהליכים הביוכימיים העומדים בבסיס המטבוליזם הסלולרי. למרות הפוטנציאל שלהם, פיתוח מודלים קינטיים הוא מאתגר בשל הקושי בקביעת הפרמטרים השולטים בתהליכים תאיים.
צוות חוקרים בראשות Ljubisa Miskovic ו-Vassily Hatzimanikatis ב-EPFL יצר כעת את RENAISSANCE, כלי מבוסס בינה מלאכותית המפשט את היצירה של מודלים קינטיים. RENAISSANCE משלב סוגים שונים של נתונים סלולריים כדי לתאר במדויק מצבים מטבוליים, מה שמקל על ההבנה כיצד תאים פועלים. RENAISSANCE בולטת כהתקדמות גדולה בביולוגיה חישובית, ופותחת אפיקים חדשים למחקר וחדשנות בבריאות וביוטכנולוגיה.
החוקרים השתמשו ב-RENAISSANCE כדי ליצור מודלים קינטיים המשקפים במדויק Escherichia coli התנהגות מטבולית. הכלי יצר בהצלחה מודלים שתאמו התנהגויות מטבוליות שנצפו בניסוי, המדמים כיצד החיידקים מתאימים את חילוף החומרים שלהם לאורך זמן בביוריאקטור.
המודלים הקינטיים גם הוכיחו את עצמם כחזקים, ושומרים על יציבות גם כשהם נתונים להפרעות מצב גנטיות וסביבתיות. זה מצביע על כך שהמודלים יכולים לחזות בצורה מהימנה את התגובה הסלולרית לתרחישים שונים, ולשפר את התועלת המעשית שלהם במחקר ויישומים תעשייתיים.
למרות ההתקדמות בטכניקות אומיקס, כיסוי נתונים לא הולם נותר אתגר מתמשך. לדוגמה, מטבולומיקה ופרוטאומיקה יכולים לזהות ולכמת רק מספר מוגבל של מטבוליטים וחלבונים. טכניקות דוגמנות המשלבות ומיישרות נתוני אומיקס ממקורות שונים יכולות לפצות על מגבלה זו ולשפר את הבנת המערכות. על ידי שילוב של נתוני Omics ומידע רלוונטי אחר, כגון תכולת מדיום חוץ-תאי, נתונים פיזיקוכימיים וידע מומחה, RENAISSANCE מאפשרת לנו לכמת במדויק מצבים מטבוליים תוך-תאיים לא ידועים, כולל שטפים מטבוליים וריכוזי מטבוליטים".
Ljubisa Miskovic, חוקר, EPFL
ליכולת של RENAISSANCE למודל מדויק של חילוף חומרים תאי יש השלכות משמעותיות, ומציעה כלי רב עוצמה לחקר שינויים מטבוליים בין אם הם נגרמים על ידי מחלה או לא, ומסייעת בפיתוח של טיפולים וביוטכנולוגיות חדשות. קלות השימוש והיעילות שלו תאפשר למגוון רחב יותר של חוקרים באקדמיה ובתעשייה להשתמש במודלים קינטיים ביעילות ותטפח שיתוף פעולה.
