Analyse quantitative des organites cellulaires grâce à l'intelligence artificielle
L'analyse des données de cryo-microscopie X-Ray demande encore beaucoup de temps : L'IA identifie désormais les structures avec une grande précision en quelques minutes
Les rayons X à haute brillance de BESSY II peuvent être utilisés pour produire des images microscopiques avec une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Des volumes cellulaires entiers peuvent être examinés sans qu'il soit nécessaire de préparer des échantillons complexes comme c'est le cas en microscopie électronique. Sous le microscope à rayons X, les minuscules organites cellulaires, avec leurs structures fines et leurs membranes limitrophes, apparaissent clairement et en détail, même en trois dimensions. La tomographie cryogénique à rayons X est donc idéale pour étudier les changements dans les structures cellulaires provoqués, par exemple, par des déclencheurs externes. Cependant, jusqu'à présent, l'évaluation des tomogrammes 3D nécessitait une analyse des données largement manuelle et exigeante en main-d'œuvre. Pour résoudre ce problème, des équipes dirigées par le professeur Frank Noé, informaticien, et le professeur Helge Ewers, biologiste cellulaire (tous deux de la Freie Universität Berlin), ont collaboré avec le département de microscopie à rayons X du HZB. L'équipe d'informaticiens a mis au point un nouvel algorithme d'auto-apprentissage. Cette méthode d'analyse basée sur l'IA repose sur la détection automatisée des structures subcellulaires et accélère l'analyse quantitative des ensembles de données radiographiques en 3D. Les images 3D de l'intérieur des échantillons biologiques ont été acquises à la ligne de faisceau U41 de BESSY II.
Les images montrent une partie d'une cellule de mammifère congelée. À gauche se trouve une section du tomogramme 3D aux rayons X (échelle : 2 μm). La figure de droite montre le volume cellulaire reconstruit après l'application du nouvel algorithme soutenu par l'IA.
HZB
"Dans cette étude, nous avons démontré que l'analyse des volumes cellulaires basée sur l'IA fonctionne bien, en utilisant des cellules de mammifères provenant de cultures cellulaires qui ont ce que l'on appelle des filopodes", explique le Dr Stephan Werner, expert en microscopie à rayons X au HZB. Les cellules de mammifères ont une structure complexe avec de nombreux organites cellulaires différents, chacun d'entre eux devant remplir différentes fonctions cellulaires. Les filopodes sont des protubérances de la membrane cellulaire qui servent notamment à la migration des cellules. "Pour la cryo-microscopie à rayons X, les échantillons de cellules sont d'abord congelés par choc, si rapidement qu'aucun cristal de glace ne se forme à l'intérieur de la cellule. Cela laisse les cellules dans un état presque naturel et nous permet d'étudier l'influence structurelle de facteurs externes à l'intérieur de la cellule", explique Werner.
"Notre travail a déjà suscité un intérêt considérable parmi les experts", déclare le premier auteur, Michael Dyhr, de la Freie Universität Berlin. Le réseau neuronal reconnaît correctement environ 70 % des caractéristiques cellulaires existantes en très peu de temps, ce qui permet une évaluation très rapide de l'ensemble des données. "À l'avenir, nous pourrions utiliser cette nouvelle méthode d'analyse pour étudier la façon dont les cellules réagissent aux influences environnementales telles que les nanoparticules, les virus ou les substances cancérigènes, de manière beaucoup plus rapide et fiable qu'auparavant", ajoute M. Dyhr.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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