דג ביבשה עדיין מניף את סנפיריו, אבל התוצאות שונות באופן ניכר כאשר הדג הזה נמצא במים. מיוחסת למדען המחשבים הנודע אלן קיי, האנלוגיה משמשת להמחשת כוחו של ההקשר בהארת שאלות הנחקרות.
בשלב הראשון של תחום הבינה המלאכותית (AI), כלי בשם PINNACLE מגלם את התובנה של קיי בכל הנוגע להבנת התנהגות החלבונים בהקשר הנכון שלהם כפי שנקבע על ידי הרקמות והתאים שבהם חלבונים אלו פועלים ואיתם הם מקיימים אינטראקציה . יש לציין כי PINNACLE מתגברת על חלק מהמגבלות של מודלים AI הנוכחיים, אשר נוטים לנתח כיצד חלבונים מתפקדים ומתפקדים בצורה לקויה אך עושים זאת בבידוד, תא ורקמה אחד בכל פעם.
הפיתוח של מודל הבינה המלאכותית החדש, המתואר ב שיטות טבעהובל על ידי חוקרים בבית הספר לרפואה בהרווארד.
העולם הטבעי קשור זה בזה, ו-PINNACLE עוזרת לזהות את הקשרים הללו, שבהם נוכל להשתמש כדי לקבל ידע מפורט יותר על חלבונים ותרופות בטוחות ויעילות יותר. היא מתגברת על המגבלות של מודלים נוכחיים ונטולי הקשר ומציעה את הכיוון העתידי לשיפור הניתוחים של אינטראקציות חלבון".
מרינקה זיטניק, סופרת בכירה, עוזרת פרופסור לאינפורמטיקה ביו-רפואית במכון בלווטניק ב-HMS
התקדמות זו, מציינים החוקרים, יכולה להניע את ההבנה הנוכחית של תפקידם של חלבונים בבריאות ובמחלות ולהאיר מטרות תרופות חדשות לתכנון טיפולים מדויקים יותר ומותאמים יותר.
PINNACLE זמין באופן חופשי למדענים בכל מקום.
צעד גדול קדימה
פתרון האינטראקציות בין חלבונים וההשפעות של שכניהם הביולוגיים הצמודים הוא מסובך. כלים אנליטיים נוכחיים משרתים מטרה מכרעת בכך שהם מספקים מידע על התכונות המבניות והצורות של חלבונים בודדים. עם זאת, הכלים הללו לא נועדו להתמודד עם הניואנסים ההקשריים של סביבת החלבון הכוללת. במקום זאת, הם מייצרים ייצוגי חלבון שהם נטולי הקשר, כלומר חסר להם מידע הקשרי מסוג תא ורקמות.
עם זאת, חלבונים ממלאים תפקידים שונים בהקשרים התאיים והרקמות השונים שבהם הם נמצאים וגם תלוי אם אותה רקמה או תא בריאים או חולים. מודלים של ייצוג חלבון בודד אינם יכולים לזהות פונקציות חלבון המשתנות על פני שפע ההקשרים.
כשזה מגיע להתנהגות חלבון, זה מיקום, מיקום, מיקום
מורכבים מעשרים חומצות אמינו שונות, חלבונים מהווים את אבני הבניין של תאים ורקמות והם הכרחיים למגוון פונקציות ביולוגיות מקיימות חיים -; מהובלת חמצן בכל הגוף ועד כיווץ שרירים לנשימה והליכה ועד לאפשר עיכול ולהילחם בזיהום, בין רבים אחרים.
מדענים מעריכים כי מספר החלבונים בגוף האדם נע בין 20,000 למאות אלפים.
חלבונים מקיימים אינטראקציה זה עם זה אך גם עם מולקולות אחרות, כגון DNA ו-RNA.
משחק הגומלין המורכב בין חלבונים ובין חלבונים יוצר רשתות מפותלות של אינטראקציה בין חלבונים. רשתות אלה, הממוקמות בתוך ובין תאים אחרים, עוסקות בשיחות צולבות רבות ומורכבות עם חלבונים ורשתות חלבון אחרות.
היתרון של PINNACLE נובע מהיכולת שלה לזהות שהתנהגות חלבון יכולה להשתנות לפי תא ולפי סוג רקמה. לאותו חלבון עשוי להיות תפקיד שונה בתא ריאות בריא מאשר בתא כליה בריא או בתא מעי גס חולה.
PINNACLE שופך אור על האופן שבו תאים ורקמות אלה משפיעים על אותם חלבונים בצורה שונה, דבר שלא אפשרי במודלים הנוכחיים. בהתאם לסוג התא הספציפי שבו שוכנת רשת חלבונים, PINNACLE יכול לקבוע אילו חלבונים משתתפים בשיחות מסוימות ואילו מהן ישתקו. זה עוזר ל-PINNACLE לפענח טוב יותר את הצלבת החלבון ואת סוג ההתנהגות, ובסופו של דבר, מאפשר לה לחזות מטרות תרופות מותאמות באופן צר לחלבונים לא תקינים שמובילים למחלות.
PINNACLE לא מונע אלא משלים מודלים של ייצוג יחיד, ציינו החוקרים, בכך שהוא יכול לנתח אינטראקציות חלבון בהקשרים תאיים שונים.
לפיכך, PINNACLE יכולה לאפשר לחוקרים להבין ולחזות טוב יותר את תפקוד החלבון ולעזור להבהיר תהליכים תאיים חיוניים ומנגנוני מחלה.
יכולת זו יכולה לסייע באיתור חלבונים "ניתנים לתרופה" שישמשו מטרות לתרופות בודדות וכן לחזות את ההשפעות של תרופות שונות בסוגי תאים שונים. מסיבה זו, PINNACLE יכולה להפוך לכלי בעל ערך עבור מדענים ומפתחי תרופות להתבסס על יעדים פוטנציאליים ביעילות רבה יותר.
יש צורך באופטימיזציה כזו של תהליך גילוי התרופות, אמר זיטניק, שהוא גם חבר סגל במכון קמפנר לחקר בינה טבעית ומלאכותית באוניברסיטת הרווארד.
זה יכול לקחת 10-15 שנים ולעלות עד מיליארד דולר להביא תרופה חדשה לשוק, והדרך מגילוי לתרופה ידועה לשמצה מבולבלת והתוצאה הסופית לרוב בלתי צפויה. ואכן, כמעט 90 אחוז מהמועמדים לתרופות אינם הופכים לתרופות.
בנייה והדרכה של PINNACLE
באמצעות נתוני תאים אנושיים מאטלס רב איברים מקיף, בשילוב עם מספר רב של רשתות של אינטראקציות חלבון-חלבון, אינטראקציות מסוג תא לתא ורקמות, החוקרים הכשירו את PINNACLE לייצר ייצוגי חלבון גרפיים פנורמיים המקיפים 156 סוגי תאים ו-62 רקמות ואיברים.
PINNACLE יצרה כמעט 395,000 ייצוגים רב-ממדיים עד כה, בהשוואה לכ-22,000 ייצוגים אפשריים במודלים הנוכחיים של חלבון יחיד. כל אחד מ-156 סוגי התאים שלו כולל רשתות אינטראקציה חלבון עשירות בהקשר של כ-2,500 חלבונים.
המספר הנוכחי של סוגי תאים, רקמות ואיברים אינם הגבולות העליונים של המודל. סוגי התאים שהוערכו עד כה הגיעו מתורמים אנושיים חיים ומכסים את רוב סוגי התאים בגוף האדם, אך לא את כולם. יתר על כן, סוגי תאים רבים טרם זוהו, בעוד שאחרים נדירים או קשים לבדיקה, כגון נוירונים במוח.
כדי לגוון את הרפרטואר הסלולרי של PINNACLE, זיטניק מתכנן לעשות שימוש בפלטפורמת נתונים הכוללת עשרות מיליוני תאים שנדגמו מכל גוף האדם.
