Международный конкурс оценил методы анализа движения молекул

Траектория биологической частицы, перемещающейся между двумя областями пространства с разными физическими свойствами, влияющими на её диффузию. При переходе границы её поведение меняется от субдиффузии (синяя область), где движение ограничено, к супердиффузии (белая область), где движение становится более направленным и быстрым. Автор: Университет Инсбрука

Внутри живых клеток молекулы постоянно находятся в движении — связываются, диффундируют, взаимодействуют. Международный конкурс «2nd AnDi Challenge» провёл систематическое сравнение аналитических методов для изучения движения отдельных молекул, выявив как сильные стороны, так и ключевые проблемы этой быстро развивающейся области.

В сложном мире живых клеток движение молекул раскрывает важные подсказки о том, как клетки функционируют, общаются и иногда дают сбои. Однако извлечение значимых данных из этих сложных молекулярных траекторий — серьёзная задача, которая стимулирует глобальную гонку по разработке более совершенных аналитических инструментов.

Международная команда учёных под руководством Горки Муньос-Гиля из Института теоретической физики Университета Инсбрука (Австрия), Джованни Вольпе из Университета Гётеборга (Швеция) и Карло Манцо из Университета Вика (Испания) организовала конкурс для систематической оценки этих инструментов.

Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, предлагают беспрецедентную оценку сильных и слабых сторон существующих подходов.

Проверка методов

Визуализация отдельных молекул стала важным инструментом в современной клеточной биологии и биофизике. Отслеживая отдельные молекулы в живых клетках, исследователи могут изучать фундаментальные процессы, такие как взаимодействие белков, транспортные механизмы и молекулярное скопление. Однако анализ полученных данных — будь то траектории частиц или исходное видео — требует сложных вычислительных методов.

Большинство этих подходов основаны на алгоритмах машинного обучения, которые постоянно совершенствуются для лучшего обнаружения паттернов, классификации типов движения и извлечения значимых параметров из зашумлённых экспериментальных данных.

Чтобы устранить отсутствие объективных критериев, команда разработала конкурс «2nd AnDi Challenge», используя программную библиотеку, которая симулирует реалистичные экспериментальные данные. Эти симуляции включали широко используемые модели диффузии и взаимодействия в условиях, приближенных к реальным экспериментам.

Исследовательские группы со всего мира применили свои лучшие инструменты для анализа одного и того же набора данных. На основе их результатов команды — и, соответственно, разработанные ими методы — были ранжированы.

Сильные стороны и вызовы

«Конкурс показал явный прогресс в некоторых областях, но также выявил значительные ограничения в других», — резюмирует Горка Муньос-Гиль. «Важно иметь количественную картину того, насколько хорошо — или плохо — текущие методы работают в различных реалистичных сценариях».

Помимо ранжирования существующих инструментов, конкурс направлен на стимулирование инноваций. Выявляя слабые места методов, исследователи надеются поощрить разработку новых подходов, которые смогут точнее расшифровать зашумлённый и неоднородный мир молекулярного движения.

Руководство для научного сообщества

Результаты предлагают практические рекомендации для экспериментаторов, ищущих подходящие инструменты для своих исследований. «Мы хотим помочь учёным ориентироваться в растущем разнообразии аналитических методов и выбирать те, которые лучше всего подходят для их данных», — говорит Карло Манцо из Университета Вика.

Это не первый раз, когда научное сообщество принимает подобный вызов. Первый выпуск AnDi Challenge, посвящённый аномальной диффузии, дал важные инсайты, повлиявшие на развитие области. Второй выпуск расширяет эту работу, фокусируясь теперь на изменениях движения и биологически значимых экспериментальных условиях.

С быстрым развитием технологий визуализации и сбора данных потребность в надёжных методах анализа как никогда высока. Инициативы вроде этого конкурса предоставляют важную дорожную карту для исследователей, разработчиков программного обеспечения и экспериментаторов — помогая гарантировать, что молекулярные истории, запечатлённые под микроскопом, будут точно и полностью раскрыты.

Бесплатное программное обеспечение закладывает основу для будущих проектов и приглашает сообщество способствовать дальнейшим инновациям.

Дополнительная информация: Gorka Muñoz-Gil et al, Quantitative evaluation of methods to analyze motion changes in single-particle experiments, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61949-x

Источник: Университет Инсбрука