אחד התהליכים הבסיסיים ביותר בכל הביולוגיה היא ארגון התאים הספונטני לאשכולות המתרחבים ובסופו של דבר הופכים לצורות – בין אם הם איברים, כנפיים או גפיים.
מדענים בדקו זה מכבר את התהליך המורכב ביותר הזה כדי ליצור איברים מלאכותיים או להבין את צמיחת הסרטן-אך בדיוק הנדסה תאים בודדים להשגת תוצאה קולקטיבית רצויה היא לרוב תהליך ניסוי וטעייה.
פיזיקאים מיושמים בהרווארד רואים את השליטה בארגון הסלולרי ובמורפוגנזה כבעיית אופטימיזציה שניתן לפתור בעזרת כלי למידת מכונה חדשים חזקים.
במחקר חדש שפורסם ב מדע חישובי טבעחוקרים בבית הספר להנדסה ומדעים יישומיים של ג'ון א. פולסון (SEA) יצרו מסגרת חישובית שיכולה לחלץ את הכללים שהתאים צריכים לעקוב אחריהם ככל שהם צומחים, על מנת שתפקוד קולקטיבי ייצא מהשלם.
המחשב לומד "כללים" אלה בצורה של רשתות גנטיות המנחות את התנהגותו של התא, ומשפיעים על הדרכים הרבות התאים מסמנים זה לזה כימית, או על הכוחות הפיזיים הגורמים להם להתדד זה לזה או להתפרק.
נכון לעכשיו הוכחת מושג, ניתן לשלב את השיטות החדשות עם ניסויים כדי לאפשר למדענים להבין ולשלוט כיצד אורגניזמים מתפתחים מהרמה הסלולרית.
המחקר הובל על ידי הסטודנטית לתארים מתקדמים רמיה דשפנדה והחוקרת הפוסט-דוקטורט פרנצ'סקו מוטס. הסופר הבכיר היה מייקל ברנר, פרופסור לזרז למתמטיקה יישומית ופיזיקה יישומית ב- SEAS.
בידול אוטומטי
החיפוש אחר כללים שעל התאים שעליהם לעקוב אחריו הופעל בטכניקה חישובית הנקראת בידול אוטומטי. שיטה זו, המהווה את עמוד השדרה של אימון מודלים של למידה עמוקה במודיעין מלאכותי, מורכבת מאלגוריתמים שנועדו לחשב ביעילות פונקציות מורכבות ביותר. בידול אוטומטי מאפשר למחשב לגלות את האפקט המדויק שיש לשינוי קטן בכל חלק ברשת הגנים על התנהגות כל הקולקטיב של התא.
בשנים האחרונות הצוות של ברנר מיישם אלגוריתמים כאלה על בעיות מעבר לרשתות עצביות, כולל תכנון חומרי קולואיד עצמיים, שיפור הדמיות דינמיקות נוזלים, או הנדסת סוגים מסוימים של חלבונים.
Deshpande אמר כי העקרונות מהעיתון יכולים לסייע בהנחיית ניסויים במעקב במערכות פיזיות של תאים.
ברגע שיש לך מודל שיכול לחזות מה קורה כשיש לך שילוב מסוים של תאים, גנים או מולקולות שמתקיימות אינטראקציה, האם נוכל להפוך את המודל הזה ולומר 'אנחנו רוצים שהתאים האלה יתקשרו ויעשו את הדבר הספציפי הזה. איך אנו מתכנתים אותם לעשות זאת? '"
רמיה דשפנדה, סטודנטית לתארים מתקדמים, בית הספר להנדסה ומדעים יישומיים של הרווארד א. פולסון
מוטס אמר כי על ידי הפעלת קנה מידה של מודלים לביולוגיה של מערכות מבוססי פיזיקה, בידול אוטומטי מציע דרך מבטיחה להשגת השליטה החזויה הדרושה, בעתיד הרחוק, להנדס את צמיחת האיברים – הגביע הקדוש של הנדסת ביולוגית חישובית.
"אם יש לך מודל שהוא מספיק חזוי ומכויל מספיק בנתונים ניסויים, התקווה היא שאתה יכול פשוט לומר, למשל, 'אני רוצה ספירואיד עם המאפיינים האלה. כיצד עלי להנדס את התאים שלי כדי להשיג זאת?'" אמר מוטס.
