วิธีการคำนวณใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องมือชีวสารสนเทศ

นักวิจัยของ UVA Healthได้สร้างเครื่องมือที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการแยกแยะสัญญาณจากเสียงรบกวนในขณะที่พวกเขาตรวจสอบรากฐานทางพันธุกรรมของมะเร็งและความผิดปกติอื่นๆ เทคโนโลยีใหม่นี้สามารถช่วยปรับปรุงการตรวจหามะเร็งโดยทำให้แพทย์ค้นพบเซลล์มะเร็งได้ง่ายขึ้น นอกเหนือ สล็อต จากการเพิ่มการวิจัยและอาจเร่งการรักษาใหม่ ๆ

วิธีการคำนวณใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องมือชีวสารสนเทศ

นักวิจัย UVA Chongzhi Zang, PhD (ซ้าย) และ Shengen Shawn Hu, PhD, ได้พัฒนาเครื่องมือวิจัยใหม่ที่สำคัญและทำให้ใช้งานได้ฟรี เครดิตรูปภาพ: ระบบสุขภาพมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย

eBook การวินิจฉัยและการทำงานอัตโนมัติในห้องปฏิบัติการ

eBook การวินิจฉัยในห้องปฏิบัติการและระบบอัตโนมัติสำหรับอุตสาหกรรม

รวบรวมบทสัมภาษณ์ บทความ และข่าวสารชั้นนำในปีที่ผ่านมา

ดาวน์โหลดสำเนาวันนี้

เครื่องมือใหม่นี้สร้างขึ้นโดย Chongzhi Zang, PhD ของ UVA และทีมงานและหุ้นส่วนของเขา เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จะช่วยรักษาความสมบูรณ์ของ "ข้อมูลขนาดใหญ่" บนสารพันธุกรรมที่ประกอบเป็นโครโมโซมที่เรียกว่า โครมาติน โครมาตินซึ่งเป็นส่วนผสมของ DNA และโปรตีนมีความสำคัญในการชี้นำการกระตุ้นการทำงานของยีนของมนุษย์ เมื่อโครมาตินทำงานผิดปกติ อาจทำให้เซลล์ที่แข็งแรงกลายเป็นมะเร็งหรือนำไปสู่โรคอื่นๆ ได้

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบโครมาตินภายในเซลล์แต่ละเซลล์ได้โดยใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยที่เรียกว่า "ATAC-seq เซลล์เดียว" แต่สิ่งนี้สร้างข้อมูลจำนวนมหาศาลที่มีสัญญาณรบกวนและอคติจำนวนมาก เครื่องมือใหม่ของ Zang ตัดผ่านทั้งหมด ช่วยนักวิจัยจากเบาะแสที่ผิดพลาดและเสียเวลาไปโดยเปล่าประโยชน์

แม้ในสถานการณ์ที่ดีที่สุด การวิจัยจีโนมิกส์เซลล์เดียวขนาดใหญ่ก็เหมือนกับ "การงมเข็มในมหาสมุทร" ตาม Zang อย่างไรก็ตาม เครื่องมือใหม่ของเขาจะทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นมาก โดยกำจัดหญ้าแห้งเสียจำนวนมาก

เมื่อใช้วิธีการวิเคราะห์ข้อมูลแบบดั้งเดิม คุณอาจเห็นรูปแบบบางอย่างที่ดูเหมือนสัญญาณจริงของสถานะโครมาตินเฉพาะ แต่จริงๆ แล้วมันเป็นของปลอมเนื่องจากความลำเอียงของเทคโนโลยีการทดลองเอง สัญญาณปลอมดังกล่าวอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สับสนได้ เราพัฒนาแบบจำลองเพื่อดักจับและกรองสัญญาณปลอมดังกล่าวได้ดียิ่งขึ้น เพื่อให้เข็มจริงที่เรากำลังมองหาสามารถโดดเด่นกว่าหญ้าแห้งได้ง่ายขึ้น”

Chongzhi Zang นักชีววิทยาเชิงคำนวณ ศูนย์ Genomics สาธารณสุข มหาวิทยาลัยระบบสุขภาพแห่งเวอร์จิเนีย

Chongzhi Zang ยังเกี่ยวข้องกับศูนย์มะเร็งสุขภาพ UVA

เกี่ยวกับเครื่องมือจีโนมิกส์

เครื่องมือใหม่ของ Zang ขึ้นอยู่กับทฤษฎีตัวเลขและแนวคิดการเข้ารหัสที่เรียกว่า "การเข้ารหัสแบบง่าย" เมื่อใช้สิ่งนั้น เขาและเพื่อนร่วมงานสามารถแสดงลำดับดีเอ็นเอทางคณิตศาสตร์ และท้ายที่สุด แปลงลำดับจีโนมที่ซับซ้อนให้เป็นรูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่ตรงไปตรงมามากขึ้น จากนั้นพวกเขาสามารถเปรียบเทียบรูปแบบทางเลือกเพื่อค้นหาอคติและสัญญาณรบกวนในข้อมูลลำดับที่เทคนิคทั่วไปไม่สามารถตรวจจับได้ง่าย

ความซับซ้อนของลำดับดีเอ็นเอเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณเมื่อนานขึ้น การสร้างแบบจำลองทำได้ยากเนื่องจากชุดข้อมูลทั่วไปมีลำดับนับล้านจากเซลล์หลายพันเซลล์ แต่รูปแบบการเข้ารหัสแบบซิมเพล็กซ์สามารถให้การประมาณค่าอคติของลำดับได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่สวยงามของมัน ”

Shengen Shawn Hu PhD, ผู้เขียนนำการศึกษาและนักวิทยาศาสตร์การวิจัย, University of Virginia Health System

เทคโนโลยีนี้ทำงานได้ดีขึ้นมากเมื่อประเมินข้อมูลเซลล์เดียวที่ซับซ้อนเพื่อจัดประเภทเซลล์ต่างๆ ตามการทดสอบ นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิจัยทางชีววิทยาพื้นฐานเช่นเดียวกับการวินิจฉัยโรค เนื่องจากแพทย์ต้องระบุเซลล์โรคจำนวนน้อยท่ามกลางตัวอย่างที่ใหญ่กว่ามากซึ่งมีเซลล์หลายหมื่นถึงล้านเซลล์

อคตินั้นหาได้ไม่ง่ายนักเพราะถูกพันด้วยสัญญาณจริงและซ่อนอยู่ในข้อมูลขนาดใหญ่ อาจไม่ใช่เรื่องใหญ่หากผู้คนจะเลือกสัญญาณที่แรงที่สุดจากเซลล์จำนวนมากเท่านั้น แต่เมื่อคุณดูข้อมูลเซลล์เดียว จะไม่มีผลไม้แขวนลอยอีกต่อไป สัญญาณจะอ่อนแอเสมอในระดับเซลล์แต่ละเซลล์ และผลกระทบของสัญญาณรบกวนและอคติอาจเป็นหายนะได้ การแก้ไขอคติมักถูกมองข้าม แต่มีความสำคัญในการวิเคราะห์ข้อมูลเซลล์เดียว ”

Chongzhi Zang นักชีววิทยาเชิงคำนวณ ศูนย์ Genomics สาธารณสุข มหาวิทยาลัยระบบสุขภาพแห่งเวอร์จิเนีย

Zang ร่วมเป็นผู้นำการวิจัยจีโนมิกส์เซลล์เดียวจำนวนมากในการตรวจสอบโรคหลอดเลือดหัวใจและการพัฒนาของลำไส้

นักวิจัยได้พัฒนาซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สฟรีและเผยแพร่ทางออนไลน์เพื่อให้สามารถเข้าถึงเครื่องมือใหม่ได้ในวงกว้าง สามารถดูซอฟต์แวร์ได้ที่https://github.com/zang-lab/SELMA Zang สรุปว่า “ เราหวังว่าเครื่องมือนี้จะเป็นประโยชน์ต่อชุมชนการวิจัยทางชีวการแพทย์ในการศึกษาชีววิทยาของโครมาตินและจีโนมิกส์ และช่วยในการวิจัยโรคในที่สุด เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นเสมอที่ได้เห็นเพื่อนร่วมงานของเราใช้เครื่องมือที่เราพัฒนาขึ้นเพื่อทำการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญในการวิจัยของพวกเขาเอง ”