Компьютерный контроль популяций клеток в реальном времени

Исследователи из Института Пастера и Inria, CNRS, Университета Париж Дидро и Института науки и технологий (IST) Австрии опубликовали в Nature Communications две статьи о компьютерном контроле клеточных процессов. Гибридные платформы, сочетающие микроскопы и программное обеспечение, позволяют в реальном времени соединять живые клетки с управляющими алгоритмами.

Суть технологии

Клетки помещают в микрофлюидное устройство, где можно изменять химическую среду или подвергать их световой стимуляции. Компьютерная программа на основе наблюдаемого поведения клеток и цели эксперимента решает, какие модификации среды применить. Компьютер также управляет получением и анализом микроскопических изображений для количественной оценки клеточных ответов.

Ключевые результаты

В первой статье использована оптогенетика для активации экспрессии гена светом. Флуоресцентный белок служит репортером уровня продукции белка. Контроллер, используя модель системы, в реальном времени принимает решения о динамических воздействиях. Это позволяет:

• Контролировать каждую клетку индивидуально.
• Создавать виртуальную коммуникацию между клетками с легко перестраиваемым порядком передачи «сообщений».

«Мы создали платформу, позволяющую проектировать схемы, частично биологические, частично виртуальные. Виртуальные части можно произвольно модифицировать для быстрого создания и исследования клеточного поведения, даже выходящего за биологические пределы», — говорит Якоб Рюсс, соавтор статьи.

Во второй статье учёные с помощью компьютерной программы заставляли клетки принимать случайные бинарные решения, подводя их к области нестабильности («как альпинистов на горном хребте»), после чего клетки свободно эволюционировали к одной из двух стабильных конфигураций. Неожиданно оказалось, что правильно выбранная стимуляция может удерживать в области нестабильности целые группы разных клеток. Эти результаты помогают понять, как популяции клеток принимают коллективные решения без индивидуальной координации.

Значение

Эта работа, выполненная в рамках междисциплинарной группы InBio (Институт Пастера & Inria), демонстрирует потенциал союза биологии и цифровых наук. Технология позволяет:

• Осуществлять длительный и однородный контроль клеточных процессов.
• Создавать новые, легко перепрограммируемые поведения клеточных популяций.
• Углублять понимание биологических функций белков.
• Оптимизировать биопроизводственные процессы.