Eine neue Methode verbindet künstliche Intelligenz, Mikroskopie und genetische Screeningverfahren. Forschende von LMU, Max-Planck-Institut für Biochemie und Helmholtz Munich haben damit 70 Millionen genetisch veränderte Zellen analysiert und auffällige Zellen gezielt für weitere Untersuchungen isoliert.
Wie verändern einzelne Gene das Aussehen und Verhalten von Zellen? Diese Frage lässt sich mit klassischen genetischen Screenings zwar systematisch untersuchen, komplexe Veränderungen in Zellform, Organellen oder intrazellulären Strukturen sind dabei jedoch schwer zu erfassen. Mit der neuen Technologie SPARCS wollen Forschende diese Lücke schließen. Das Verfahren kombiniert hochskalierte Mikroskopie mit künstlicher Intelligenz und genetischen Screeningmethoden. Entwickelt wurde es von Teams um Professor Veit Hornung von der LMU, Professor Matthias Mann vom Max-Planck-Institut für Biochemie und Professor Fabian Theis von Helmholtz Munich. Die Ergebnisse sind im Fachjournal „Cell“ erschienen.
KI erkennt auffällige Zellmerkmale
Für die Studie analysierte das Forschungsteam Mikroskopiebilder von insgesamt 70 Millionen genetisch veränderten Zellen. KI-Verfahren identifizieren dabei charakteristische visuelle Merkmale – sogenannte Phänotypen – und ordnen sie den jeweiligen genetischen Veränderungen zu. Der entscheidende Schritt folgt anschließend: Zellen mit besonders interessanten Eigenschaften können gezielt aus der großen Zellpopulation isoliert werden. Da sie dabei intakt bleiben, lassen sie sich beispielsweise mittels Massenspektrometrie weiter untersuchen. So können Forschende nicht nur erkennen, dass eine genetische Veränderung einen bestimmten Zellphänotyp hervorruft, sondern auch die zugrunde liegenden molekularen Veränderungen näher analysieren. Im ersten genomweiten Proof-of-Concept untersuchte das Team die Autophagie, einen zentralen Recyclingprozess von Zellen. SPARCS identifizierte einen großen Teil der bereits bekannten Gene, die an der Bildung von Autophagosomen beteiligt sind. Gleichzeitig fanden die Forschenden weitere Gene, die mit diesem Prozess in Verbindung stehen.
Zusammenhang mit Immunreaktion entdeckt
In einem weiteren Experiment untersuchte das Team den Immunsensor STING. Dieses Protein spielt eine wichtige Rolle bei der angeborenen Immunabwehr. Die Analysen zeigten, dass der Säuregrad des Golgi-Apparats den frühen Transport von STING innerhalb der Zelle beeinflusst. Dabei rückte das Protein GPHR in den Fokus: Es reguliert den pH-Wert im Golgi-Apparat und beeinflusst dadurch auch die spätere Aktivierung von STING. Die Kombination aus bildbasierter Analyse und anschließender molekularer Charakterisierung ermöglicht so, genetische Veränderungen in einem Umfang zu untersuchen, der mit klassischen mikroskopischen Verfahren nur schwer erreichbar wäre. SPARCS ist zunächst eine Forschungsplattform und keine diagnostische Methode. Ihr Potenzial liegt vor allem darin, komplexe zelluläre Veränderungen in sehr großen Populationen systematisch zu erfassen. Damit könnte die Technologie künftig beispielsweise dabei helfen, Krankheitsmechanismen genauer zu untersuchen, neue Zielstrukturen für Wirkstoffe zu identifizieren oder die Wirkung genetischer Veränderungen umfassender zu charakterisieren.
