Machine learning interpretable models of cell mechanics from protein images

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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:7
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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