Machine learning interpretable models of cell mechanics from protein images

生物 细胞力学 细胞骨架 人工智能 计算生物学 机器学习 细胞 计算机科学 生物化学
作者
Matthew S. Schmitt,Jonathan Colen,Stefano Sala,John Devany,Shailaja Seetharaman,Alexia Caillier,Margaret L. Gardel,Patrick W. Oakes,Vincenzo Vitelli
出处
期刊:Cell [Elsevier]
卷期号:187 (2): 481-494.e24 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.cell.2023.11.041
摘要

Cellular form and function emerge from complex mechanochemical systems within the cytoplasm. Currently, no systematic strategy exists to infer large-scale physical properties of a cell from its molecular components. This is an obstacle to understanding processes such as cell adhesion and migration. Here, we develop a data-driven modeling pipeline to learn the mechanical behavior of adherent cells. We first train neural networks to predict cellular forces from images of cytoskeletal proteins. Strikingly, experimental images of a single focal adhesion (FA) protein, such as zyxin, are sufficient to predict forces and can generalize to unseen biological regimes. Using this observation, we develop two approaches-one constrained by physics and the other agnostic-to construct data-driven continuum models of cellular forces. Both reveal how cellular forces are encoded by two distinct length scales. Beyond adherent cell mechanics, our work serves as a case study for integrating neural networks into predictive models for cell biology.

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