Mit KI und Mikroskopie zellulären Genen auf der Spur
Neue Technologie verbindet künstliche Intelligenz und Mikroskopie, um Zellen in großem Maßstab zu screenen
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Wie einzelne Gene das Aussehen und Verhalten von Zellen bestimmen, lässt sich künftig umfassender untersuchen: Forschende um Professor Veit Hornung vom Genzentrum der LMU und Professor Matthias Mann vom MPI für Biochemie in Martinsried haben gemeinsam mit Professor Fabian Theis von Helmholtz Munich eine neue Technologie namens SPARCS entwickelt, die künstliche Intelligenz mit Mikroskopie und genetischen Screeningverfahren verbindet. Sie ermöglicht es, Millionen genetisch veränderter Zellen nach komplexen visuellen Merkmalen zu durchsuchen und anschließend einzelne interessante Zellen gezielt zu isolieren. So können mithilfe von SPARCS zelluläre Effekte den genetischen Veränderungen zugeordnet werden, die sie verursachen. Die Ergebnisse wurden nun im Fachmagazin Cell veröffentlicht.
Gene der Zellreinigung und des Immunsystems
In ihrer Studie nutzten die Forschenden Methoden der künstlichen Intelligenz, um Mikroskopiebilder von insgesamt 70 Millionen Zellen auf genetisch verursachte Veränderungen hin zu analysieren: In einem ersten genomweiten Proof-of-Concept Experiment untersuchten sie die Autophagie – einen wichtigen Recyclingprozess der Zelle. „SPARCS identifizierte einen Großteil der bereits bekannten Gene, die die Bildung von Autophagosomen regulieren, und fand zugleich weitere beteiligte Gene“, sagt Erstautor Dr. Niklas Schmacke (LMU).
Auch den wichtigen Sensor STING des angeborenen Immunsystems nahmen die Forschenden unter die Lupe. Dabei zeigte sich, dass der Säuregrad des Golgi- Apparats für den frühen Transport von STING innerhalb der Zelle wichtig ist. Das Protein GPHR beeinflusst diesen pH-Wert und damit auch die spätere Aktivierung des Immunsensors.
Da die ausgewählten Zellen intakt isoliert werden, konnten die Forschenden anschließend ihre Proteinzusammensetzung mittels Massenspektrometrie analysieren. Dadurch konnten sie die Auswirkungen genetischer Veränderungen auf molekularer Ebene präzise charakterisieren.
Neue Perspektiven für die Zellforschung
Insgesamt zeigte die Arbeit, wie künstliche Intelligenz in Kombination mit skalierbarem bildbasiertem genetischem Screening neue Möglichkeiten eröffnet, Gene systematisch zu untersuchen und biologische Entdeckungen voranzutreiben, so die Forschenden.
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