Fot. Dr Andrzej Mizera, źródło: materiały prasowe (Agencja Ro)

Dr Andrzej Mizera, naukowiec polskiego ośrodka badawczo-rozwojowego w dziedzinie sztucznej inteligencji oraz adiunkt na Wydziale Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego, otrzymał najwyższy grant w historii IDEAS NCBR. W ramach projektu „EdgeCR: wydajne i skuteczne reprogramowanie komórek z uwzględnieniem manipulacji krawędziowych” wraz z zespołem będzie opracowywać zaawansowane metody obliczeniowe służące do efektywnego przekształcania komórek jednego typu w inny. Prace w ramach projektu mają rozpocząć się w listopadzie 2024 r. i potrwają przez cztery lata. – Reprogramowanie komórek to proces modyfikacji aktywności genów w jądrze komórkowym pozwalający na „cofnięcie” komórki do wcześniejszego etapu rozwoju, tj. stadium pluripotencji. Następnie komórki mogą zostać „przeprogramowane” tak, by stały się np. komórkami nerwowymi lub komórkami mięśni szkieletowych. Proces reprogamowania może być wykorzystywany do modelowania w warunkach in vitro chorób genetycznych, epigenetycznych i środowiskowych. Mamy nadzieję, że w przyszłości, po dalszych żmudnych badaniach, reprogramowanie komórek, w połączeniu z technikami edycji genów i inżynierii tkankowej, pozwoli na leczenie chorób nowotworowych i rozwój medycyny regeneracyjnej – mówi dr Andrzej Mizera z IDEAS NCBR. Projekt dr. Mizery to nie tylko nowatorskie podejście do reprogramowania komórek, ale także potencjalny krok milowy w kierunku lepszego zrozumienia mechanizmów działania sieci regulacji genów. Dzięki wykorzystaniu sztucznej inteligencji możliwe będzie stworzenie skalowalnych metod obliczeniowych, które pozwolą wyznaczać właściwy zestaw czynników reprogramowania i kolejność manipulacji przy dokonywaniu zmian w komórkach.

Reprogramowanie komórek wyzwaniem dla naukowców

Tradycyjne metody reprogramowania komórek pozostają na razie mało wydajne i dokładne. Subtelne zmiany na poziomie poszczególnych interakcji między genami (tj. połączeń lub tzw. krawędzi w sieci regulacji genów) stanowią szczególne wyzwanie dla badaczy. Skuteczne leczenie złożonych chorób wymaga bardziej zaawansowanej technologii. Istotnym problemem jest duża złożoność systemów komórkowych i ogromna liczba możliwych kombinacji czynników reprogramowania do rozpatrzenia, zwłaszcza przy jednoczesnym uwzględnieniu manipulacji genowych i krawędziowych. Dotychczasowe metody znajdowania odpowiednich takich kombinacji są bardzo kosztowne i czasochłonne. Projekt EdgeCR ma szansę znacząco przyspieszyć postępy w tej dziedzinie. Zakłada stworzenie obliczeniowych modeli sieci regulacji genów, które będą mogły precyzyjnie odwzorować zarówno strukturalne, jak i dynamiczne cechy tych sieci. Dzięki zastosowaniu sztucznej inteligencji, w tym głębokiego uczenia przez wzmacnianie, możliwe będzie bardziej precyzyjne sterowanie procesem reprogramowania, co otwiera nowe perspektywy w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych. – Metody obliczeniowe, które opracujemy, zostaną przetestowane w kontekście choroby Parkinsona. Sprawdzimy w szczególności, czy nasze metody pozwolą na efektywną konwersję astrocytów w neurony dopaminergiczne – to właśnie zanikanie tych neuronów wywołuje chorobę Parkinsona. Nasze badania będą istotnym krokiem w stronę rekonstruowania neuronów i hamowania przebiegu tej choroby. Będzie to jednak jeden z bardzo wielu kroków wymaganych do osiągnięcia tego niezwykle trudnego celu. Choroba Parkinsona jest obecnie nieuleczalna i nasz projekt nie przyniesie na nią lekarstwa, pozwoli jednak na stworzenie metod, które mogą przyczynić się do tego rezultatu w dalszej przyszłości – dodaje dr Andrzej Mizera.

AI wspiera rozwój biologii i nauk obliczeniowych

Projekt EdgeCR ma szansę wywrzeć znaczący wpływ na rozwój medycyny regeneracyjnej także dzięki współpracy z naukowcami z Luksemburga. To właśnie w laboratoriach Uniwersytetu Luksemburskiego opracowane metody obliczeniowe zostaną przetestowane w kontekście choroby Parkinsona. – Współpraca z naukowcami z Uniwersytetu Luksemburskiego pozwoli na opracowanie metod obliczeniowych, które będą uwzględniały nie tylko manipulacje polegające na włączaniu i wyłączaniu poszczególnych genów w komórce, ale także ingerowaniu w pojedyncze interakcje pomiędzy parami genów. Takich metod aktualnie brakuje, a ich opracowanie jest kluczowe do lepszego zrozumienia funkcjonowania sieci regulacji genów i sterowania ich zachowaniem. Projekt ma charakter interdyscyplinarny, gdyż wyniki uzyskane w obszarze nauk obliczeniowych i sztucznej inteligencji będą stymulowały rozwój w dziedzinie biologii i na odwrót – kończy dr Andrzej Mizera. Prace polskiego zespołu w zwycięskim projekcie finansuje Narodowe Centrum Nauki, a prace luksemburskich naukowców – Luxembourg National Research Fund (FNR).