Nowe narzędzie toruje drogę do automatycznej identyfikacji i lokalizacji białek w komórkach

Krio-tomografia elektronowa (cryo-ET) wyłania się jako potężna technika dostarczająca szczegółowych obrazów 3D środowisk komórkowych i zamkniętych biomolekuł. Jednakże, jednym z wyzwań tej metodologii jest identyfikacja cząsteczek białek na obrazach w celu dalszego przetwarzania. Zespół badawczy wokół Stefana Raunsera, dyrektora w MPI Fizjologii Molekularnej w Dortmundzie, kierowany przez Thorstena Wagnera, opracował oprogramowanie do wybierania białek w zatłoczonych objętościach komórkowych. Nowe narzędzie open-source, zwane TomoTwin, oparte jest na głębokim uczeniu metrycznym i pozwala naukowcom zlokalizować kilka białek z wysoką dokładnością i przepustowością bez ręcznego tworzenia lub ponownego szkolenia sieci za każdym razem. TomoTwin toruje drogę do zautomatyzowanej identyfikacji i lokalizacji białek bezpośrednio w ich środowisku komórkowym, rozszerzając potencjał krio-ET." Gavin Rice, współautor publikacji Cryo-ET ma potencjał rozszyfrowania, jak biomolekuły działają w komórce, a przez to odsłonięcia podstaw życia i pochodzenia chorób. W eksperymencie krio-ET naukowcy wykorzystują transmisyjny mikroskop elektronowy do uzyskania trójwymiarowych obrazów, zwanych tomogramami, objętości komórek zawierających złożone biomolekuły. Aby uzyskać bardziej szczegółowy obraz każdego z różnych białek, uśredniają oni jak najwięcej ich kopii - podobnie jak fotografowie rejestrują to samo zdjęcie przy różnych ekspozycjach, aby później połączyć je w idealnie naświetlony obraz. Co kluczowe, trzeba prawidłowo zidentyfikować i zlokalizować różne białka na zdjęciu przed ich uśrednieniem. "Naukowcy mogą osiągnąć setki tomogramów dziennie, ale brakowało nam narzędzi do pełnej identyfikacji cząsteczek w ich obrębie" - mówi Rice. Do tej pory badacze używali algorytmów opartych na szablonach znanych już struktur molekularnych do wyszukiwania dopasowań w tomogramach, ale te mają tendencję do bycia podatnymi na błędy. Inną opcją jest ręczna identyfikacja cząsteczek, która zapewnia wysoką jakość zbierania, ale zajmuje od kilku dni do kilku tygodni dla każdego zestawu danych. Inną możliwością byłoby zastosowanie pewnej formy nadzorowanego uczenia maszynowego. Narzędzia te mogą być bardzo dokładne, ale obecnie brakuje im użyteczności, ponieważ wymagają ręcznego etykietowania tysięcy przykładów w celu wytrenowania oprogramowania dla każdego nowego białka, co jest zadaniem prawie niemożliwym dla małych cząsteczek biologicznych w zatłoczonym środowisku komórkowym. Nowo opracowane oprogramowanie TomoTwin pokonuje wiele z tych przeszkód: Uczy się wybierać cząsteczki, które mają podobny kształt w obrębie tomogramu i mapuje je do przestrzeni geometrycznej - system jest nagradzany za umieszczanie podobnych białek blisko siebie i karany w przeciwnym wypadku. W nowej mapie badacze mogą wyodrębnić i dokładnie zidentyfikować różne białka i wykorzystać to do zlokalizowania ich wewnątrz komórki. "Jedną z zalet TomoTwin jest to, że zapewniamy wstępnie wytrenowany model kompletacji" - mówi Rice. Dzięki usunięciu etapu szkolenia oprogramowanie może działać nawet na lokalnych komputerach - tam, gdzie przetwarzanie tomogramu wymaga zwykle 60-90 minut, czas uruchomienia na superkomputerze MPI Raven jest zredukowany do 15 minut na tomogram. TomoTwin pozwala badaczom wybrać dziesiątki tomogramów w czasie, który jest potrzebny do ręcznego wybrania pojedynczego, zwiększając tym samym przepustowość danych i szybkość uśredniania w celu uzyskania lepszego obrazu. Oprogramowanie może obecnie lokalizować białka globularne lub kompleksy białkowe większe niż 150 kilodaltonów w komórkach; w przyszłości grupa Raunsera zamierza uwzględnić białka błonowe, białka filamentowe i białka o mniejszych rozmiarach.

Odblokowanie zegara jelitowego: jak rytmy okołodobowe i mikroflora jelitowa wpływają na zdrowie człowieka

W artykule przeglądowym opublikowanym w czasopiśmie Nutrition, Metabolism, and Cardiovascular Diseases, naukowcy przedstawili przegląd najnowszych badań badających związek pomiędzy rytmami okołodobowymi, mikrobiotą jelitową i dietą oraz zbiorczy wpływ tego związku na ogólny stan zdrowia. Chronoodżywianie jest definiowane jako związek między czasem posiłków, rytmami okołodobowymi i zdrowiem metabolicznym. Ta konkretna dziedzina żywienia zyskała ostatnio ogromną popularność ze względu na znaczący wpływ rytmów okołodobowych na procesy metaboliczne i mikrobiotę jelitową gospodarza. Rytmy okołodobowe odnoszą się do serii endogennych oscylatorów generowanych przez okołodobowe zegary biologiczne, które tworzą połączenie między wewnętrznymi procesami fizjologicznymi a środowiskiem zewnętrznym. Znaczna część całkowitego składu mikrobioty jelitowej ulega rytmicznym wahaniom w ciągu doby. Co więcej, sama mikrobiota jelitowa synchronizuje okołodobowe zegary biologiczne gospodarza poprzez różne szlaki sygnałowe. Obserwacje te wskazują, że może istnieć sprzężenie pomiędzy rytmem okołodobowym gospodarza a mikrobiotą jelitową oraz że wzorce i pory odżywiania mogą odgrywać kluczową rolę w tym wzajemnym oddziaływaniu. Każdy aspekt nawyków żywieniowych, w tym czas, częstotliwość i regularność posiłków oraz jakość diety, odgrywa rolę w modulowaniu wzajemnych relacji między rytmami okołodobowymi a mikrobiotą jelitową. Centralny zegar okołodobowy zlokalizowany w mózgu jest regulowany przez cykl światło-ciemność słońca. Jednakże, ponieważ obwodowe zegary okołodobowe zlokalizowane w wątrobie, trzustce i przewodzie pokarmowym (GI) nie mogą być bezpośrednio wystawione na działanie światła, zegary te są synchronizowane głównie przez składniki diety. Badania wykazały, że spożywanie pokarmów w późnych godzinach wieczornych może zaburzać rytmy okołodobowe (chronodystans) i zmieniać wydzielanie hormonów. Ponadto stwierdzono, że każdy 1-godzinny wzrost pory ostatniego posiłku w ciągu dnia wiąże się ze zmianami metabolicznymi, w tym ze zwiększeniem stężenia białka C-reaktywnego, zmniejszeniem stężenia lipoproteiny o dużej gęstości (dobrego cholesterolu) oraz upośledzeniem kontroli glikemii i kontroli masy ciała. Żywienie ograniczone w czasie odnosi się do spożywania pożądanej ilości pokarmu w określonym czasie. Stwierdzono, że ten szczególny wzorzec żywieniowy moduluje skład mikrobioty jelitowej, np. indukuje korzystne społeczności bakterii i redukuje szkodliwe społeczności bakterii. Uważa się, że takie ograniczenie czasu dostępu do pożywienia naśladuje naturalne wzorce żywieniowe oparte na rytmach okołodobowych. Wiadomo, że nieregularny nawyk jedzenia zmienia rytmy okołodobowe poprzez desynchronizację centralnych i obwodowych zegarów okołodobowych. Wiele badań wykazało, że ludzie, którzy wolą jeść w późnych godzinach wieczornych, mają znacznie większą tendencję do pomijania śniadania, lunchu lub porannych przekąsek. W badaniu przeprowadzonym na koniach stwierdzono, że przyjmowanie pokarmów z większą częstotliwością zmniejsza obfitość szkodliwych zbiorowisk bakterii w jelitach. Jednak w żadnym badaniu nie zbadano dotychczas wpływu częstotliwości i regularności posiłków na skład mikrobiomu jelitowego u ludzi. Chronotyp jest definiowany jako naturalna tendencja organizmu do bycia obudzonym lub śpiącym w określonych porach dnia. Dowody wskazują, że chronotyp danej osoby może wpływać na jakość jej diety. Chociaż chronotypy wydają się nie mieć wpływu na spożycie makro- i mikroelementów, badania wykazały, że osoby jedzące późnym wieczorem mają większą częstotliwość spożywania sacharozy niż osoby jedzące rano. Co więcej, niektóre badania wykazały, że wieczorne nawyki żywieniowe wiążą się ze złą lub niezdrową jakością diety. Dieta śródziemnomorska jest uważana za jeden z najlepszych wzorców żywieniowych o wielu korzyściach zdrowotnych. Wiadomo, że dieta ta zmniejsza ryzyko chorób sercowo-naczyniowych i metabolicznych oraz zachorowalność i śmiertelność z wszystkich przyczyn. Badania wykazały, że chronotyp poranny jest związany z wyższym przestrzeganiem diety śródziemnomorskiej i lepszym zarządzaniem masą ciała. Jeśli chodzi o związek między jakością diety, mikrobiotą jelitową i rytmem okołodobowym, badania wykazały, że diety wysokotłuszczowe zmieniają chronobiologię mikrobioty jelitowej, prowadząc do zmienionej produkcji metabolitów mikrobiologicznych oraz zaburzeń rytmu okołodobowego i metabolizmu. Związane z dietą zaburzenia chronotypu i dysbioza mikrobioty jelitowej są związane z rozwojem wielu chorób przewlekłych, w tym chorób sercowo-naczyniowych i metabolicznych, zaburzeń psychicznych i niektórych nowotworów. Istnieją dowody wskazujące, że wieczorny chronotyp wiąże się ze zmienionymi profilami kardiometabolicznymi. Zaobserwowano istotnie zmieniony metabolizm lipidów i glukozy oraz rytmiczność mikrobioty jelitowej wśród osób spożywających posiłki w godzinach wieczornych. Badania wykazały również związek pomiędzy chronotypem wieczornym a ryzykiem wystąpienia raka piersi, prostaty, płuc i okrężnicy. Postawiono hipotezę, że zaburzenia rytmu okołodobowego zwiększają ryzyko wystąpienia raka poprzez zmianę proliferacji komórek i cyklu snu. Zaburzenia rytmu okołodobowego mogą również sprzyjać karcynogenezie poprzez zmianę produkcji metabolitów mikrobiomu jelitowego, takich jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) i kwasy żółciowe. Brak równowagi pomiędzy rytmem okołodobowym a mikrobiotą jelitową może zwiększać ryzyko wystąpienia niektórych zaburzeń psychicznych, w tym depresji. Może to wynikać ze zmienionej rytmiczności neuroprzekaźników, które są związane z regulacją nastroju. Niektóre z ostatnich dowodów sugerują, że większa obfitość prozapalnych społeczności mikrobiotycznych i mniejsza obfitość społeczności mikrobiotycznych produkujących SCFA może zmienić rytmy okołodobowe, co wspólnie zwiększa ryzyko depresji.