Como o MOSAIC da UC Berkeley gera 4 terabytes por hora e transforma a microscopia celular

Quatro terabytes de dados por hora. Esse volume não vem de um supercomputador nem de um satélite, e sim de um par de microscópios funcionando sem parar, 24 horas por dia, em uma sala sem janelas em Berkeley, registrando a vida íntima de células vivas.

As imagens são impressionantes. Ao mesmo tempo, nenhum grupo de pesquisa consegue examinar manualmente tamanha quantidade de gravações. Os cientistas de Berkeley perceberam que seus equipamentos ficaram bons demais - e agora estão construindo algo novo para acompanhar esse salto.

Muitos microscópios em um só

O instrumento se chama MOSAIC, sigla de Multimodal Optical Scope with Adaptive Imaging Correction (Microscópio Óptico Multimodal com Correção Adaptativa de Imagem). O MOSAIC reúne cerca de uma dúzia de “estilos” de microscopia em um único equipamento, alternáveis com o apertar de um botão.

O projeto foi liderado por Srigokul “Gokul” Upadhyayula, professor assistente de biologia molecular e celular na Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley). Ele trabalhou em parceria com Eric Betzig, professor de física e biologia celular em Berkeley.

Betzig recebeu o Prémio Nobel de Química de 2014 pela microscopia de fluorescência de super-resolução - uma técnica capaz de formar imagens de moléculas individuais dentro de células vivas.

Essa abordagem hoje está incorporada ao MOSAIC, ao lado da técnica de imagem por lâmina de luz em treliça, mais suave, desenvolvida em trabalhos posteriores e que serve como a espinha dorsal do sistema.

Mais de uma dúzia de laboratórios no mundo já montou as suas próprias cópias com base em pré-publicações e instruções detalhadas que a equipa de Berkeley vem partilhando há seis anos. O desenho deixou de ser um protótipo.

Observando células em 5D

A maioria das imagens do dia a dia é plana: duas dimensões congeladas no tempo. O que o MOSAIC gera é diferente. Betzig descreve a produção como um conjunto de cinco dimensões: três dimensões espaciais, mais tempo, mais cor.

A cor é obtida com marcadores fluorescentes que os pesquisadores ligam a estruturas celulares específicas. Ao marcar as mitocôndrias com uma cor e as membranas com outra, ambas aparecem simultaneamente na tela - enquanto se deslocam, se dividem e interagem.

Uma única célula abriga cerca de 40 milhões de moléculas de proteínas, distribuídas em aproximadamente 20.000 tipos. Analisar esses componentes um a um é uma batalha perdida. O MOSAIC acompanha tantos quanto a óptica permitir, ao mesmo tempo.

Eventos celulares raros expostos

Em um dos experimentos, a equipa observou durante 24 horas uma placa com células renais de porco a crescer e a se dividir, gerando cerca de 1,5 milhão de instantâneos 3D de núcleos. A maior parte das células seguiu o comportamento esperado pelos livros. Algumas, porém, não.

Uma célula se dividiu em três células-filhas em vez de duas - um fenómeno chamado mitose tripolar. Essas divisões incomuns já haviam sido relatadas por pesquisadores, mas ninguém tinha filmado uma delas com esse nível de detalhe tridimensional.

Por ser um método suave, o MOSAIC permitiu que a equipa continuasse a acompanhar as três células-filhas fora do padrão até que, por fim, elas morreram. Ao longo de milhares de células, o equipamento identifica tanto os padrões típicos quanto os casos raros que fogem à regra.

Acompanhando a cicatrização em tempo real

Um vídeo particularmente marcante registrou as primeiras 12 horas de um peixe-zebra em fase larval a regenerar a barbatana caudal amputada. O animal permaneceu vivo durante todo o processo, e a aquisição foi delicada o suficiente para que a cicatrização seguisse normalmente.

Rever o material exigiu meses. Só depois os detalhes ficaram claros: células próximas à ferida libertando minúsculos “pacotes” de comunicação e fibras sob a pele a deslocar-se conforme o tecido se reconstruía.

As imagens também revelaram duas células de reparo fundindo-se em uma só. Em determinado momento, uma hemácia ficou brevemente presa enquanto um novo vaso se formava.

Para produzir imagens dentro de um animal vivo, é necessário corrigir as distorções causadas pelo próprio tecido. Um estudo anterior mostrou como ajustar a óptica em tempo real para manter a nitidez dentro de materiais turvos.

O MOSAIC gera petabytes de imagens

Um único experimento com o MOSAIC pode produzir de 30 a 100 terabytes de dados, e o microscópio consegue recolher 4 terabytes em uma hora. Ao longo de meses, o total sobe para a escala de petabytes - o equivalente a encher centenas de bilhões de páginas.

Nenhum cérebro humano dá conta de processar informação em cinco dimensões. Mesmo um biólogo experiente, ao estudar um único “filme” de 12 horas, pode levar meses para entender o que está sendo mostrado.

Em termos diretos, o microscópio ficou bom demais - e esse é o problema que a equipa de Berkeley está agora a dedicar grande parte da sua energia para resolver.

IA para ajudar a “ler” as células

A estratégia é treinar um modelo de visão e linguagem - um sistema semelhante ao ChatGPT, só que construído em torno de filmes 3D de células, em vez de texto. Assim, um pesquisador poderia perguntar quantas células imunes entraram em uma ferida, e o sistema devolveria uma resposta.

“Biology is entering an era in which the data are too complex and too large to interpret by human inspection alone,” disse Upadhyayula. O trabalho passa pelo Centro Avançado de Bioimagem de Berkeley.

As ferramentas atuais de IA para imagens não foram concebidas para essa tarefa: elas lidam com fotografias 2D planas, e não com volumes 3D que mudam ao longo do tempo em múltiplas cores. Em paralelo ao novo microscópio, Berkeley está a criar um novo tipo de sistema analítico.

Microscópio MOSAIC e o Observatório de Células

Sem um parceiro de IA, os microscópios do MOSAIC geram dados que, em grande parte, ficam sem leitura. Com esse apoio, o equipamento pode responder perguntas que antes estavam fora do alcance - sobre células cancerígenas a sair de um tumor e sobre eventos de divisão para os quais não existia uma forma de estudo viável.

A equipa também está a desenvolver químicas que marquem componentes celulares específicos para que a IA consiga reconhecê-los.

Métodos anteriores de expansão, que aumentam fisicamente o tecido, também foram incorporados para amostras densas nas quais a luz não consegue penetrar com facilidade.

O plano de longo prazo trata a microscopia como a astronomia. Uma estrutura centralizada - o Observatório de Células - operaria as máquinas, realizaria as análises e devolveria os resultados aos biólogos, do mesmo modo que observatórios atendem astrónomos.

O gargalo mudou. Não é mais a óptica. É a interpretação. A equipa de Berkeley construiu um dos microscópios mais exigentes da área - e decidiu assumir também o novo gargalo como parte do trabalho.