Lo llaman la «bola peluda». Es un nombre poco halagador para las representaciones bidimensionales de una red biológica compleja, una representación de un sistema de vínculos y conexiones tan complejo y denso que «parece un gran desastre», dijo Dmitry Korkin, PhD, profesor asociado de informática en Instituto Politécnico de Worcester (WPI) y director del programa de bioinformática y biología computacional de la universidad.
La misión de Korkin es domar este lío mediante el desarrollo de nuevas formas de «ver» redes biológicas complejas, métodos que permitan a los investigadores concentrarse en la información y las conexiones más importantes: ver los árboles a través del bosque. Las herramientas de visualización que está desarrollando pueden ser la clave para encontrar vínculos críticos entre proteínas y genes relacionados con trastornos complejos como el cáncer, la diabetes y el trastorno del espectro autista.
Las redes biológicas complejas ilustran el desafío de la bioinformática: grandes cantidades de datos valiosos generados a través de tecnologías de investigación avanzadas sin duda contienen pistas sobre curas y, sin embargo, pueden parecer impenetrables para los investigadores que buscan analizarlos. Korkin, cuya investigación se centra en la bioinformática de enfermedades complejas, la genómica computacional y la biología de sistemas, ha estado interesada durante mucho tiempo en encontrar nuevas formas de visualizar redes biológicas, que pueden incluir todo, desde las conexiones neuronales en el cerebro humano hasta todas las interacciones entre proteínas dentro de una célula de levadura. Dijo que cree que ha encontrado la solución en una tecnología que originalmente fue concebida como una mejora para los videojuegos y el entretenimiento.
Durante más de un año, Korkin y su equipo de investigación han utilizado el sistema HoloLens de Microsoft para estudiar redes de interacción de proteínas que incluyen mutaciones asociadas con trastornos genéticos complejos. El sistema, un tipo de visor de realidad mixta, crea proyecciones holográficas que parecen flotar en puntos fijos ante el visor. Como explicó este año a los asistentes a la Conferencia de Sistemas Inteligentes para Biología Molecular y la Conferencia de Cold Spring Harbor sobre Biología de Sistemas, Korkin cree que la tecnología ofrece una nueva ruta emocionante para una comprensión más profunda de las redes que son notoriamente difíciles de visualizar.
«Es bueno que podamos recopilar información en estas redes con tecnologías cada vez más precisas, pero cuando tratas de analizarla visualmente, te das cuenta de que es casi imposible con los medios convencionales», dijo Korkin. La falta de técnicas de visualización adecuadas no solo dificulta la comprensión de redes complejas, sino que limita la investigación, dijo, ya que las conexiones y relaciones más significativas e importantes dentro de estas redes pueden no ser evidentes.
Hace algunos años, Korkin vio por primera vez HoloLens, una tecnología que, por primera vez, parecía ofrecer las capacidades que había estado buscando. El dispositivo es un conjunto de «anteojos inteligentes» que toman información visual y la proyectan en el espacio frente al usuario. A diferencia de las gafas de realidad virtual, que están diseñadas para bloquear la realidad y colocar al usuario en un mundo artificial, HoloLens utiliza la realidad mixta para fusionar una visualización holográfica generada por computadora con el mundo real. Por lo tanto, las redes que estudia Korkin parecen flotar sobre la mesa de su oficina, lo que le permite caminar y «verlas» desde todos los lados.
En 2016, Korkin recibió dos kits HoloLens de lanzamiento anticipado diseñados para desarrolladores de aplicaciones. Desde entonces, con el investigador postdoctoral Pavel Terentiev, PhD, y un equipo de estudiantes graduados y universitarios, ha estado trabajando para tomar datos sobre redes biológicas reales que su laboratorio ha estado investigando y representarlas como objetos tridimensionales en el mundo real usando la HoloLens.
«La red es una estructura de datos muy común», dijo Korkin. «Los científicos informáticos han lidiado con las redes durante años. El problema con las redes biológicas es que son increíblemente complejas, con mucha información empaquetada en estructuras muy densas. Es casi imposible visualizar correctamente estas redes con formas bidimensionales convencionales de Cuando vi por primera vez los primeros prototipos de la tecnología que se convertiría en HoloLens, me di cuenta de que esta podría ser la forma ideal de interactuar con estas redes».
Entre los tipos de redes estudiados en el Laboratorio Korkin se encuentran las redes de enfermedades, compuestas por genes y proteínas asociadas con trastornos genéticos complejos, como el cáncer, la diabetes y el trastorno del espectro autista. «Estas redes pueden incluir cientos de miles de genes y proteínas que portan una plétora de mutaciones», dijo Korkin. «Nuestro enfoque es utilizar la información del sistema como marco para fusionar información sobre las propiedades de estos genes y proteínas y sus funciones en un esfuerzo por ver cómo las mutaciones individuales afectan a todo el sistema. Esto puede ayudarnos a comprender los mecanismos moleculares subyacentes afectados. por las mutaciones y las posibles consecuencias».
Korkin dice que HoloLens facilitará la realización de estas conexiones. Un proyecto actual está utilizando la tecnología para explorar las innumerables conexiones entre las proteínas implicadas en el cáncer de mama, un ejemplo del tipo de «bola peluda» que está tratando de domar. En el Laboratorio Korkin, un usuario se coloca el dispositivo, que se parece un poco a una versión futurista de las gafas de seguridad de laboratorio. De repente, una serie tridimensional de bolas de colores conectadas por líneas parece flotar en el aire en medio de la habitación. Las bolas y las líneas son nodos y conexiones en la red, que representan las proteínas y las interacciones físicas entre las proteínas. Mientras flota en el espacio, la red parece enraizada en un lugar a varios pies del suelo. A medida que el usuario camina por la pantalla, puede ver los nodos y las conexiones desde varios ángulos.
Extendiendo la mano, el usuario puede juntar el pulgar y el índice, como si estuviera sujetando la red, y girarla, hacia la derecha y hacia la izquierda, y hacia arriba y hacia abajo, para mostrar diferentes partes. Usando gestos o comandos de voz, el usuario puede resaltar nodos particulares y luego recuperar información sobre ellos, como la estructura de proteínas individuales o la ubicación de mutaciones particulares. Cuando otro usuario se pone un segundo HoloLens, pueden explorar la red juntos, ya que aparentemente se encuentra entre ellos.
«Esta no es solo una herramienta de visualización», dijo Korkin. “Es una herramienta para la recuperación interactiva de información. Nos permite superponer sobre la red una gran cantidad de datos relacionados, incluida información estructural y la presencia de mutaciones. De esta manera, se convierte en un objeto inteligente que integra información y alimenta al investigador con una serie de opciones sugeridas. Al incorporar algoritmos que encapsulan reglas básicas, podemos crear una visualización inteligente que puede ayudar a identificar los elementos de una red a los que los investigadores deben prestar atención: las cosas críticas que deben investigar primero».
Korkin dice que espera aplicar esta capacidad en un programa de investigación genómica actual, respaldado por un premio de 768 000 dólares de 2015 de la Fundación Nacional de Ciencias, en el que está buscando regiones del genoma que se han conservado entre especies y entre millones de años. Una mejor comprensión de estos segmentos, llamados elementos multiespecies idénticos largos, o LIME, que probablemente realicen funciones básicas y vitales en la célula, puede proporcionar nuevas pistas sobre el papel de la genética en el desarrollo normal y la aparición de enfermedades.
«Nos gustaría usar HoloLens para mapear la información que hemos descubierto usando nuestros algoritmos avanzados, lo que nos permitirá comenzar a construir un atlas completo de estos elementos, el primero de su tipo», dijo. «Habrá miles de estos elementos, y tendremos los medios para comenzar a analizarlos. Podremos visualizarlos a nivel cromosómico y genómico, brindando información sobre la función de los elementos codificantes y no codificantes, su posiciones mutuas, el hecho de que algunos de estos elementos aparecen en copias múltiples y otros son únicos, etc.
«El objetivo es fusionar diferentes formas de información y buscar patrones, cosas que son inusuales o anormales. Al permitirnos trabajar con el conjunto completo de datos, lo que simplemente no podemos hacer de otra manera porque la densidad de la información es demasiado alta». alto para comprender, HoloLens hará que este proceso sea más intuitivo e informativo».
Para lograr todos los beneficios de HoloLens, Korkin dice que él y su equipo tendrán que encontrar formas de trabajar dentro de algunas de las limitaciones actuales de la tecnología, o desarrollar técnicas para superarlas, incluido el límite en la cantidad de objetos que puede mostrar. a la vez (un límite muy por debajo de las decenas de miles de nodos en las redes que estudia Korkin). «Es típico que las nuevas tecnologías tengan cuellos de botella. No tengo ninguna duda de que la tecnología evolucionará y esto dejará de ser un problema, pero mientras tanto podemos facilitar esto mediante el desarrollo de algoritmos que nos permitan hacer lo que queremos hacer. «
Korkin dice que ve grandes oportunidades en el futuro para la tecnología HoloLens, que cree que puede acelerar en gran medida el ritmo de descubrimiento en muchos campos al hacer que sea menos engorroso y lento ver las relaciones entre los datos.
«Esta herramienta puede ser de particular valor cuando se trata de trabajar con datos muy complejos», dijo, «para los cuales aún tenemos que aprender a desarrollar los algoritmos. En tales casos, necesitamos desarrollar nuestra intuición, y esto es donde HoloLens puede convertirse en una herramienta fundamental. Todos estamos acostumbrados a lidiar con un mundo en 3D, y esta tecnología transforma sistemas complejos en objetos verdaderamente tridimensionales con los que podemos interactuar de forma natural y ver de formas completamente nuevas».
