¿Cómo la inteligencia artificial está transformando el diagnóstico médico? La proteómica, el estudio a gran escala de las proteínas, ha alcanzado nuevas fronteras gracias a dos innovadores avances del Instituto Weizmann de Ciencias. Tradicionalmente, la proteómica se enfrentaba a limitaciones en la visualización simultánea de múltiples proteínas, lo que dificultaba la comprensión integral de los procesos biológicos. Ahora, CombPlex, una tecnología de imagenología asistida por IA, permite visualizar y cuantificar simultáneamente decenas de proteínas en tejidos. Paralelamente, la creación de una biblioteca genética completa en levaduras está revelando funciones proteicas ocultas, abriendo nuevas vías para entender enfermedades metabólicas y otros trastornos celulares. Este artículo explora cómo estos descubrimientos están redefiniendo la biomedicina y la investigación científica.
CombPlex: La orquesta celular ahora se escucha con IA
Imaginen las proteínas como los instrumentos de una orquesta. Hasta ahora, solo podíamos ‘escuchar’ unos pocos instrumentos a la vez, perdiendo la riqueza de la sinfonía completa. CombPlex, desarrollada en el Instituto Weizmann, permite ‘escuchar’ la orquesta completa, combinando una forma ingeniosa de marcar cada proteína y usar la IA para darles sentido a los datos. Esta tecnología supera las limitaciones de las técnicas convencionales de imagenología, que solo permitían visualizar unas pocas proteínas simultáneamente.
La Dra. Leeat Keren, líder del equipo de investigación, explica que CombPlex utiliza códigos de barras fluorescentes para identificar cada proteína, permitiendo la visualización simultánea de hasta 22 proteínas en su prueba de concepto, con el potencial de ampliar esta capacidad a cientos en el futuro. El desafío era que, al aumentar el número de códigos de barras, estos se superponen rápidamente, dificultando su distinción. Aquí es donde entra en juego la inteligencia artificial.
En colaboración con la Dra. Shai Bagon, experta en IA, el equipo entrenó una red neuronal profunda para descomponer las imágenes combinatorias en imágenes de proteínas individuales. La red aprendió las propiedades de expresión de diferentes proteínas a partir de datos simulados, permitiendo a CombPlex clasificar las señales en imágenes que, para un observador humano, serían una maraña fluorescente indescifrable. Este enfoque innovador permite obtener una imagen más completa de la composición celular de los tejidos, lo que abre la puerta a diagnósticos más precisos y tratamientos personalizados.
Beneficios clave de CombPlex
- Diagnósticos más rápidos y precisos: CombPlex puede obtener imágenes de proteínas en uno o dos días, un proceso que tardaría semanas con métodos convencionales.
- Visión detallada de tejidos: Permite entender cómo las células interactúan en un tejido enfermo, revelando las causas de la enfermedad.
- Personalización de tratamientos: Al identificar la composición celular de los tumores cancerosos y la interacción entre diferentes tipos de células, CombPlex puede ayudar a predecir la eficacia de las terapias y personalizar los tratamientos.
- Accesibilidad: CombPlex es compatible con microscopios fluorescentes convencionales, lo que facilita su adopción en laboratorios biomédicos y médicos.
Biblioteca genética en levaduras: Revelando los secretos mejor guardados de las proteínas
Mientras CombPlex revoluciona la forma en que visualizamos las proteínas, otro equipo del Instituto Weizmann ha creado una herramienta poderosa para comprender su función. Imaginen la frustración de los científicos al saber que aún existen cientos de proteínas cuyas funciones son un misterio. Liderados por la profesora Maya Schuldiner, los investigadores desarrollaron una biblioteca genética completa en levaduras que permite eliminar rápidamente una proteína de la célula, revelando su papel exacto al observar las consecuencias de su ausencia.
La levadura de panadería comparte aproximadamente dos tercios de su genoma con los humanos. Esta similitud genética la convierte en un modelo excepcionalmente útil, ya que permite modelar procesos celulares básicos con facilidad de manipulación genética. Para desentrañar los misterios proteicos, el equipo de Schuldiner instaló miles de ‘máquinas de ataque’ en colonias de levadura, cada una dirigida a una proteína diferente.
El sistema consta de tres partes: una etiqueta que marca la proteína objetivo, una proteína destructora que la degrada y una molécula mediadora que activa el ataque. Al activar el sistema, los investigadores pueden eliminar rápidamente la proteína objetivo y observar los efectos en la célula. Este enfoque innovador ha permitido descubrir los papeles vitales y aún ocultos que desempeñan muchas proteínas.
Abriendo la puerta a nuevas terapias
Comprender el papel de los genes y las proteínas en la levadura no es de interés exclusivo para los científicos que estudian organismos unicelulares. Los hallazgos de este estudio podrían arrojar luz sobre muchos genes equivalentes en las células humanas. Como explica Schuldiner, ‘Conocemos los defectos subyacentes de muchas enfermedades genéticas raras, pero cuando no conocemos el papel del gen defectuoso, no hay cura’. Revelar las funciones de estas proteínas misteriosas abre la puerta a comprender y tratar algunas de estas enfermedades.
En particular, el equipo de Schuldiner está interesado en los genes esenciales para las mitocondrias, las centrales eléctricas de la célula. Las disfunciones en la estructura y función mitocondrial están relacionadas con muchas enfermedades, y la nueva biblioteca genética ha permitido identificar 220 genes cuyo ‘golpe’ daña la estructura mitocondrial de la célula. Este descubrimiento podría conducir a nuevas terapias para enfermedades metabólicas y otros trastornos relacionados con la función mitocondrial.
Además, los investigadores utilizaron la biblioteca para estudiar qué proteínas son vitales para el ciclo de vida de la célula, identificando nuevas proteínas que regulan la división celular. En conjunto, el equipo descubrió el papel de cientos de genes que antes no se sabía que eran vitales para la supervivencia de la célula. La nueva biblioteca ya es un éxito en la comunidad científica, con laboratorios de todo el mundo ‘tomando prestadas’ cepas individuales para ampliar sus investigaciones sobre proteínas cuyo papel sigue siendo un misterio.
El futuro de la proteómica: un enfoque multidisciplinario
Los avances descritos en este artículo demuestran el poder de un enfoque multidisciplinario para abordar los desafíos de la proteómica. La combinación de la imagenología avanzada, la inteligencia artificial y la ingeniería genética ha permitido a los investigadores del Instituto Weizmann superar las limitaciones de las técnicas convencionales y obtener una comprensión más profunda de la complejidad de las células y los tejidos.
CombPlex y la biblioteca genética completa son solo el comienzo. A medida que la tecnología continúa avanzando, podemos esperar ver nuevas herramientas y enfoques que permitan a los científicos explorar el proteoma con un nivel de detalle sin precedentes. Esto tendrá importantes implicaciones para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, así como para nuestra comprensión fundamental de la biología.
En última instancia, la revolución en la proteómica está abriendo nuevas fronteras en la investigación biomédica, ofreciendo la promesa de diagnósticos más precisos, tratamientos más personalizados y una mejor comprensión de la vida misma. La capacidad de descifrar el código de barras celular y revelar funciones proteicas ocultas nos acerca cada vez más a un futuro donde las enfermedades puedan ser prevenidas y tratadas de manera efectiva.
