科研人员建立人工智能驱动的空间蛋白质组学新技术

中国科学院
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近年来,空间组学技术成为解析组织异质性和复杂细胞相互作用的重要工具。尤其是,空间转录组学在胚胎发育、神经科学和疾病机制研究中展现出潜力。作为直接执行生物功能的核心分子,蛋白质的空间分布研究在技术上面临挑战。现有空间蛋白质组学技术受限于质谱检测通量和高昂成本,难以兼顾高分辨率与大面积组织分析需求,限制了其在复杂组织研究中的应用。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

1月23日,中国科学院动物研究所赵方庆团队在《细胞》(Cell)上发表了题为High-resolution spatially resolved proteomics of complex tissues based on microfluidics and transfer learning的研究论文。该研究提出了全新的空间蛋白组学技术框架——PLATO,通过整合人工智能深度学习算法与微流控技术,实现了全组织切片水平的高分辨率空间蛋白质组检测(25微米分辨率,数千个蛋白),突破了高通量原位组学技术瓶颈。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

现有空间蛋白质组方法主要依赖抗体染色或质谱技术。前者因靶标数量有限,仅能检测几十至几百种蛋白分子;后者检测种类丰富,但逐点取样方式增加了实验成本和规模。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

PLATO在断层扫描成像的重构原理中汲取灵感,通过降维后的平行流投影与深度学习算法Flow2Spatial相结合,重构出蛋白质的高分辨率空间分布。Flow2Spatial运用自编码器模型,将平行流投影的实验过程模拟为“降维编码”,并通过整合其他空间组学数据如组织学染色、空间转录组学等,对蛋白质空间分布进行高精度“升维解码”。这一原创算法突破了传统技术难以获取空间信息的限制,提高了空间蛋白质组的覆盖度和分辨率,为解析其他组学分子的空间分布提供了新方案。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

在原位采样方面,PLATO结合微流控技术,开发了高通量、低成本的灵活采样平台,可实现25微米至100微米分辨率范围内进行精确采样。相比于传统方法,PLATO通过并行原位采样提高了实验效率,降低了对复杂昂贵设备的依赖,使得这一技术更经济实用,为复杂组织的高分辨率空间解析提供了可靠工具。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

该研究通过计算模拟、显微切割和免疫荧光验证了PLATO的高精确性。结果显示,PLATO能够准确重构组织切片中蛋白分子的空间分布,空间分辨率最高达25微米。同时,针对不同类型样本如冰冻切片和FFPE组织,分别建立了实验流程,证明了PLATO在多种组织类型中的适用性。进一步,研究对小鼠脑组织、肠道绒毛和乳腺癌等复杂组织进行高分辨率蛋白质空间分布解析,验证了其在不同应用场景和研究方向中的潜力,为揭示蛋白质动态分布和探究复杂生物过程的分子机制提供了支持。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

PLATO深度融合了人工智能算法、微流控和质谱技术,随着技术迭代创新,有望成为推动生命科学研究的重要工具。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划和北京市自然科学基金等的支持。9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

论文链接9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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基于深度学习算法的蛋白质空间分布重构流程图9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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PLATO的微流控芯片装置图和原位采样结果9nW速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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