瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑分校（EPFL）的研究團(tuán)隊(duì)近日開發(fā)了一款名為RENAISSANCE的AI工具，據(jù)稱該工具能夠簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建過(guò)程。RENAISSANCE結(jié)合了多種類型的細(xì)胞數(shù)據(jù)，精確描繪出細(xì)胞的代謝狀態(tài)，使得理解細(xì)胞功能變得更加容易。這一工具的問(wèn)世可能為健康和生物技術(shù)領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新開辟新的途徑。

他們的研究成果已發(fā)表在《自然催化》雜志上，文章標(biāo)題為《生成式機(jī)器學(xué)習(xí)生成的動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確表征了細(xì)胞內(nèi)代謝狀態(tài)》。

現(xiàn)代生物學(xué)能夠生成大量關(guān)于細(xì)胞活動(dòng)的數(shù)據(jù)集，這些被稱為“組學(xué)”的數(shù)據(jù)集能夠提供關(guān)于基因活性和蛋白質(zhì)水平等不同細(xì)胞功能的見解。然而，整合和理解這些數(shù)據(jù)以解碼細(xì)胞代謝過(guò)程依然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

動(dòng)力學(xué)模型提供了一種解碼這種復(fù)雜性的途徑，通過(guò)數(shù)學(xué)形式來(lái)表現(xiàn)細(xì)胞代謝。盡管動(dòng)力學(xué)模型具有很大的潛力，但由于確定控制細(xì)胞過(guò)程的參數(shù)困難，開發(fā)這些模型一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)利用RENAISSANCE創(chuàng)建的動(dòng)力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確反映大腸桿菌的代謝行為。該工具成功生成了與實(shí)驗(yàn)觀察到的代謝行為相匹配的模型，模擬了細(xì)菌在生物反應(yīng)器中隨時(shí)間調(diào)整其代謝的方式。

這些動(dòng)力學(xué)模型還表現(xiàn)出強(qiáng)大的穩(wěn)定性，即使在基因和環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，模型依然能夠保持穩(wěn)定。這表明這些模型可以可靠地預(yù)測(cè)細(xì)胞在不同情況下的反應(yīng)，從而提升其在研究和工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際價(jià)值。

“盡管組學(xué)技術(shù)取得了進(jìn)展，但數(shù)據(jù)覆蓋不足依然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，” EPFL研究團(tuán)隊(duì)成員Ljubisa Miskovic博士表示，“例如，代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)只能檢測(cè)和定量有限數(shù)量的代謝物和蛋白質(zhì)。通過(guò)整合和調(diào)和來(lái)自不同來(lái)源的組學(xué)數(shù)據(jù)，建模技術(shù)可以彌補(bǔ)這一局限性并增強(qiáng)系統(tǒng)理解。通過(guò)結(jié)合組學(xué)數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信息，如細(xì)胞外培養(yǎng)基成分、物理化學(xué)數(shù)據(jù)和專家知識(shí)，RENAISSANCE使我們能夠精確量化未知的細(xì)胞內(nèi)代謝狀態(tài)，包括代謝流和代謝物濃度?！?/p>

RENAISSANCE在精確建模細(xì)胞代謝方面展現(xiàn)出的能力具有重要意義，不僅為研究疾病引發(fā)的代謝變化提供了強(qiáng)大的工具，還能促進(jìn)新療法和生物技術(shù)的開發(fā)。由于其易用性和高效性，RENAISSANCE將使更多的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員能夠有效利用動(dòng)力學(xué)模型，并推動(dòng)協(xié)作研究的開展。

參考文獻(xiàn)：Subham Choudhury, Bharath Narayanan, Michael Moret, Vassily Hatzimanikatis & Ljubisa Miskovic .2024.Generative machine learning produces kinetic models that accurately characterize intracellular metabolic states

編輯：王洪

排版：李麗