الذكاء الاصطناعي لتتبع الخلايا بشكل صارم وقابل للتطوير يعد متابعة الخلايا الفردية بمرور الوقت أحد أصعب التحديات الحسابية في علم الأحياء. تنقسم الخلايا وتهاجر وتغير شكلها ، وحتى مع المجاهر القوية ، يمكن أن تبدو مهمة إعادة بناء الأنساب وكأنها تجميع لغز حيث تتغير القطع باستمرار. لعقود من الزمان ، اعتمد الكثير من هذا العمل على الاستدلال أو القواعد المخصصة ، مما جعل قابلية التكاثر صعبة والنتائج صعبة المقارنة عبر المختبرات. توضح ورقتان حديثتان كيف يعمل الذكاء الاصطناعي والحوسبة الحديثة على تحويل هذا المجال. في OrganoidTracker 2.0 ، يقدم Betjes والمؤلفون المشاركون إطارا احتماليا يحدد عدم اليقين في مهام النسب. بدلا من مجرد إخراج "أفضل تخمين" ، ترفق الطريقة مستويات الثقة ، مما يسمح للباحثين بتحديد الحالات الغامضة وضمان تحليلات أكثر صرامة في اتجاه مجرى النهر. في موازاة ذلك ، يقدم Bragantini والمؤلفون المشاركون Ultrack ، وهي أداة مصممة لقابلية التوسع وإمكانية الوصول. من خلال دمج التحسين المتقدم والخوارزميات المستندة إلى الرسم البياني في الأنظمة الأساسية المستخدمة على نطاق واسع ، تتيح Ultrack معالجة مجموعات بيانات التصوير واسعة النطاق بكفاءة مع تقليل حواجز التبني. تمثل هذه التطورات معا تحولا في تتبع الخلايا: من الاستدلال الهش إلى أدوات قائمة إحصائيا وقابلة للتطوير وقابلة للاستخدام على نطاق واسع. إنها توضح كيف أن الذكاء الاصطناعي لا يقوم فقط بأتمتة مهمة ولكن إعادة تأطيرها من حيث قابلية التكرار وعدم اليقين والتكامل مع سير العمل التجريبي الحقيقي. اوراق: &

منطق البرمجة في البروتينات: المواد الحيوية الذكية التي تحسب تستجيب معظم المواد الحيوية "الذكية" اليوم بطرق بسيطة وفردية: مدخلات واحدة تنتج مخرجات واحدة. قد يطلق الهيدروجيل دواء عند تعرضه للضوء ، أو قد يتحلل الجسيم النانوي عندما يواجه إنزيما معينا. لكن علم الأحياء نادرا ما يعمل في مثل هذه العزلة. تعالج الخلايا والأنسجة باستمرار إشارات متعددة في وقت واحد ، وستحتاج المواد الحيوية من الجيل التالي إلى فعل الشيء نفسه - تحديد وقت إطلاق البروتين أو تنشيطه أو توطينه فقط في حالة وجود التركيبة الصحيحة من المحفزات. يقدم ريان غاريوس والمؤلفون المشاركون إطارا يجعل هذا ممكنا. بدلا من الاعتماد على التوليفات الكيميائية البطيئة ومنخفضة الإنتاجية ، فإنها تقوم بتشفير منطق و / أو / نعم مباشرة في البروتينات أثناء التعبير المؤتلف. الحيلة هي استخدام روابط هندسية تحدد طوبولوجيتها "البوابة": تتصرف المواقع المقطوعة في سلسلة مثل OR ، بالتوازي مثل AND ، وموقع واحد مثل YES. تعمل البروتياز المتعامد ك "مدخلات" ، ولا تطلق المادة شحنة البروتين الخاصة بها إلا عند استيفاء الشرط المنطقي المبرمج. باستخدام هذا النهج ، قام الفريق بتنفيذ جميع السلوكيات المنطقية الثلاثة المدخلات ال 17 الممكنة وحتى توسيعها إلى عامل تشغيل من خمسة مدخلات. أظهروا إفراقا دقيقا للبروتين من الخرز المغناطيسي ، والتوصيل متعدد الإرسال من الهلاميات المائية ، ووضع العلامات الشرطية لخلايا HER2⁺ ، والبرامج داخل الخلايا التي تقرر ما إذا كان البروتين سيبقى في الغشاء أو ينتشر في العصارة الخلوية. الاختراق الحقيقي هو قابلية التوسع. نظرا لأن المنطق مشفر وراثيا ، يمكن تجميع التصميمات بسرعة وإنتاجها في البكتيريا وتنقيتها على نطاق واسع - مما يفتح الباب أمام العلاجات القابلة للبرمجة ، والسقالات المستجيبة لهندسة الأنسجة ، والأنظمة الهجينة الحيوية حيث تحسب الخلايا والمواد الحية معا. يشير هذا العمل إلى مستقبل لا تستجيب فيه المواد الحيوية فحسب ، بل تقرر في الواقع - جلب المنطق المنطقي من الدوائر الرقمية إلى الأنظمة الحية. ورق:

حوسبة الحمض النووي القابلة لإعادة الشحن بالحرارة: الدوائر المنطقية التي يتم إعادة ضبطها بنبضة حرارية الحمض النووي ليس مجرد ناقل للمعلومات الجينية - يمكن أيضا برمجته مثل لغة أزواج القواعد لبناء دوائر تحسب. على مدى العقدين الماضيين ، صمم الباحثون بوابات منطقية للحمض النووي ، ومذبذبات ، وحتى الشبكات العصبية. يكمن التحدي في أن معظم هذه الأنظمة تستخدم مرة واحدة: بمجرد تشغيل الدائرة ، فإنها تنجرف إلى التوازن وتتوقف عن العمل. تتطلب كل مهمة جديدة خيوط "وقود" جديدة ، مما يؤدي إلى النفايات والحد من قابلية التوسع. يقدم Tianqi Song و Lulu Qian بديلا مذهلا: الدوائر التي يتم إعادة شحنها بأكثر من نبضة حرارية قصيرة. من خلال ربط المخرجات ببواباتها في هيكل دبوس الشعر ، لا تزال المدخلات تقود الحساب من خلال إزاحة الخيط ، ولكن بعد الاستخدام ، يؤدي التسخين إلى كسر الروابط الضعيفة بينما تصمد الروابط القوية. ثم يعيد التبريد النظام إلى حالة جاهزة محبوسة حركيا ، مهيأة لمدخلات جديدة. المكافأة كبيرة. يظهرون ما لا يقل عن 16 جولة حسابية قابلة لإعادة الاستخدام في نفس الأنبوب ، مع إعادة الضبط في دقائق. يتوسع النهج على الدوائر التي تحتوي على أكثر من 200 نوع من الحمض النووي ، بما في ذلك الشبكات العصبية التي يأخذ الفائز كل شيء ومصنف 100 بت الذي يميز أرقام MNIST 6 من 7. يظل الأداء ثابتا عبر عمليات إعادة الضبط ، مع الحد الأدنى من تراكم النفايات. والنتيجة هي نوع من مصدر الطاقة العالمي للحوسبة الجزيئية - تعمل الحرارة مثل "البطارية" التي تشغل المنطق والعتبات والشبكات العصبية بدون وقود مخصص. إنه يشير إلى مستقبل تحافظ فيه أجهزة كمبيوتر الحمض النووي على سلوكيات طويلة الأمد وقابلة للتكيف وربما تعليمية في أنظمة كيميائية مستقلة. ورق: