単分子からヌーまで追跡するスケーラブルAI技術(Scalable AI tracks motion from single molecules to wildebeests)

2025-10-02 ミシガン大学

ミシガン大学の研究チームは、分子レベルから動物群集までスケールを超えて運動を解析できる新しいAIモデルを開発した。蛍光顕微鏡による単一分子の軌跡を高精度に追跡し、従来困難だった拡散挙動や異常運動を識別可能としたほか、同じ手法を群れで移動するヌーの衛星追跡データにも適用し、動物群の移動パターンを抽出することに成功した。このように分子から生態系まで統一的に扱える解析法は、生命科学や材料科学の基礎研究から動物行動学や環境保全まで幅広い応用が期待される。スケーラブルなアルゴリズムにより膨大なデータを効率的に処理でき、今後は創薬研究における分子動態解析や、気候変動下での動物移動の予測など多方面での展開が見込まれている。

単分子からヌーまで追跡するスケーラブルAI技術(Scalable AI tracks motion from single molecules to wildebeests)
An RNA molecule is illuminated by a laser light near a slide surface nearby a neural network. Image credit: Nils Walter, University of Michigan

<関連情報>

単一分子の時間トレースにおける効率的な生物学的発見のための基礎モデル Foundation model for efficient biological discovery in single-molecule time traces

Jieming Li,Leyou Zhang,Alexander Johnson-Buck & Nils G. Walter
Nature Methods  Published:02 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41592-025-02839-4

Abstract

Single-molecule fluorescence microscopy (SMFM) can reveal important biological insights. However, uncovering rare but critical intermediates often demands manual inspection of time traces and iterative ad hoc approaches. To facilitate systematic and efficient discovery from SMFM time traces, we introduce META-SiM, a transformer-based foundation model pretrained on diverse SMFM analysis tasks. META-SiM rivals best-in-class algorithms on a broad range of tasks including trace classification, segmentation, idealization and stepwise photobleaching analysis. Additionally, the model produces embeddings that encapsulate detailed information about each trace, which the web-based META-SiM Projector (https://www.simol-projector.org) casts into lower-dimensional space for efficient whole-dataset visualization, labeling, comparison and sharing. Combining this Projector with the objective metric of local Shannon entropy enables rapid identification of condition-specific behaviors, even if rare or subtle. Applying META-SiM to an existing single-molecule Förster resonance energy transfer dataset, we discover a previously undetected intermediate state in pre-mRNA splicing. META-SiM removes bottlenecks, improves objectivity and both systematizes and accelerates biological discovery in single-molecule data.

1603情報システム・データ工学
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