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Un software in aiuto alla microscopia
Un sistema dotato di apprendimento automatico può autonomamente individuare cellule con certe caratteristiche e fare su di loro analisi più approfondite
Scienziati finanziati dall'UE hanno sviluppato un sistema che libera i ricercatori dall'ingrato lavoro di passare molte ore curvi su un microscopio alla ricerca di cellule interessanti all'interno di grandi campioni. Il sistema è descritto nella rivista Nature Methods da un team guidato dal Laboratorio europeo di biologia molecolare (EMBL) in Germania.
Il lavoro è stato supportato dall'UE mediante tre progetti: MITOCHECK ("Regulation of mitosis by phosphorylation - A combined functional genomics, proteomics and chemical biology approach"), MITOSYS ("Systems biology of mitosis") e SYSTEMS MICROSCOPY ("Systems microscopy - a key enabling methodology for next-generation systems biology").
Le tecniche avanzate di imaging permettono ai ricercatori di visualizzare dei processi molto complessi all'interno delle cellule. Tuttavia, un campione grande di cellule ne potrebbe contenere solo alcune che stanno subendo il processo in esame; questo rappresenta un problema in particolare per i processi relativamente rari. Per trovare queste cellule i ricercatori sono costretti a passare ore al microscopio, esaminando le cellule manualmente a caccia di quelle che possono essere usate.
Il presente studio descrive un'efficace soluzione software per questo problema. Chiamato Micropilot, il sistema esamina in modo efficace i campioni alla ricerca di cellule interessanti ed esegue su di esse gli esperimenti appropriati.
Il sistema comprende un modulo basato sull'apprendimento automatico, in modo da poter essere rapidamente addestrato da un utente a identificare automaticamente le cellule che interessano al ricercatore.
Una volta addestrato, Micropilot può essere lasciato da solo a esaminare il campione in una modalità veloce a bassa risoluzione.
Quando identifica una cellula che corrisponde alle esigenze dei ricercatori, il sistema passa a una modalità imaging complessa che svolge in modo automatico esperimenti più complicati. Questi possono andare da compiti relativamente semplici, come la registrazione di video al rallentatore ad alta risoluzione, a esperimenti più complicati che usano dei laser per interferire con proteine marcate con molecole fluorescenti.
Dal punto di vista dell'hardware il sistema ha bisogno di una piastra del microscopio motorizzata, oltre alla capacità di passare in modo automatico dallo zoom sugli oggetti a quello scanner laser, e di cambiare il filtro a fluorescenza e/o le linee laser.
Il team ha testato il suo software su fasi del ciclo di divisione della cellula che sono relativamente veloci, e quindi difficili da cogliere "in azione". Con il software Micropilot, il team è riuscito a determinare quando si formano le strutture chiamate siti di uscita dal reticolo endoplasmatico (ERES) e a gettare nuova luce sui ruoli di due proteine, CBX1 e CENP-E, nella condensazione del materiale genetico in cromosomi compatti e nella formazione del fuso che aiuta ad allineare i cromosomi durante la divisione cellulare.
Ciò che rende Micropilot particolarmente esaltante è la sua velocità; in sole 4 notti di funzionamento (non sorvegliato), esso ha individuato 232 cellule in 2 fasi particolari della divisione cellulare e ha svolto complessi esperimenti di imaging su di esse. Un operatore al microscopio con esperienza avrebbe invece impiegato almeno un mese, lavorando a tempo pieno, per individuare queste cellule in un campione che ne contiene migliaia.
"Micropilot [...] libera i biologi cellulari dal tedioso lavoro della ripetitiva generazione manuale di dati," mette in evidenza il team. ''Esso può essere adattato praticamente a qualsiasi sistema di imaging che permette l'automazione e il controllo online basati sui risultati della classificazione delle immagini mediante visione artificiale."
Il team conclude: "In tre allestimenti sperimentali indipendenti, [Micropilot] ci ha permesso di analizzare statisticamente dei processi biologici in dettaglio, e rappresenta quindi un efficace strumento per la biologia dei sistemi."
Il software si avvia a diventare uno strumento chiave nei progetti finanziati dall'UE MITOSYS e SYSTEMS MICROSCOPY, che hanno ricevuto 10,2 e 12 milioni di euro nell'ambito del Settimo programma quadro (7° PQ).
L'altro progetto finanziato dall'UE che ha contribuito a questa ricerca, MITOCHECK, ha ricevuto 8,6 milioni di euro nell'ambito del Sesto programma quadro (6° PQ).
Articolo:
Conrad, C., et al. (2011) Micropilot: automation of fluorescence microscopy-based imaging for systems biology. Nature Methods (in corso di stampa), pubblicato online il 23 gennaio. DOI: 10.1038/NMETH.1558.
Fonte: (28/01/2011)
Pubblicato in Genetica, Biologia Molecolare e Microbiologia
Tag:
Micropilot,
MITOCHECK,
MITOSYS,
microscopio,
software,
imaging
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