Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τεχνητή νοημοσύνη για να ονειρεύονται τεχνητά ένζυμα

Μια από τις αγαπημένες μου καλοκαιρινές αναμνήσεις της παιδικής ηλικίας είναι να περιτριγυρίζομαι από πυγολαμπίδες. Καθώς ο ήλιος έδυε, η αστραφτερή τους λάμψη θα άνοιγε την πίσω αυλή σαν ευαίσθητα νεράιδα. Το γεγονός ότι τα ζωντανά όντα μπορούσαν να παράγουν φως έμοιαζε σαν μαγικό.

Αλλά δεν είναι μαγεία. Είναι ένζυμα.

Τα ένζυμα είναι οι καταλύτες της ζωής. Οδηγούν κάθε βήμα του μεταβολισμού μας, ενεργοποιούν τη φωτοσύνθεση στα φυτά, ωθούν τους ιούς να αναπαραχθούν - και σε ορισμένους οργανισμούς, πυροδοτούν τη βιοφωταύγεια ώστε να λάμπουν σαν διαμάντια.

Σε αντίθεση με τους τεχνητούς καταλύτες, που βοηθούν στην επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων, αλλά συχνά απαιτούν υψηλή θερμότητα, πίεση ή και τα δύο, τα ένζυμα είναι απίστευτα ήπια. Παρόμοια στην ιδέα με τη μαγιά για ψήσιμο, τα ένζυμα λειτουργούν σε θερμοκρασίες που διατηρούν τη ζωή. Το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τους δώσετε ένα υπόστρωμα και συνθήκες εργασίας - για παράδειγμα, αλεύρι και νερό - και θα κάνουν τα μαγικά τους.

Αυτός είναι εν μέρει ο λόγος που τα ένζυμα είναι απίστευτα πολύτιμα. Από την παρασκευή μπύρας μέχρι την παρασκευή φαρμάκων και τη διάσπαση των ρύπων, τα ένζυμα είναι οι ειδικοί χημικοί της φύσης.

Τι γίνεται αν μπορούμε να ξεπεράσουμε τη φύση;

Αυτή την εβδομάδα, μια νέα μελέτη in Φύση αξιοποιήθηκε στην τεχνητή νοημοσύνη για να δημιουργήσει ένζυμα από την αρχή. Χρησιμοποιώντας βαθιά μάθηση, η ομάδα του Δρ Ντέιβιντ Μπέικερ στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον σχεδίασε ένα νέο ένζυμο που μιμείται την ικανότητα της πυγολαμπίδας να πυροδοτεί φως, αλλά μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα σε πιάτα Petri. Συνολικά, το AI «παραίσθησε» πάνω από 7,500 πολλά υποσχόμενα ένζυμα, τα οποία δοκιμάστηκαν περαιτέρω πειραματικά και βελτιστοποιήθηκαν. Το φως που προέκυψε ήταν αρκετά φωτεινό για να το δει κανείς με γυμνά μάτια.

Σε σύγκριση με το φυσικό του αντίστοιχο, το νέο ένζυμο ήταν εξαιρετικά αποτελεσματικό, απαιτώντας μόνο λίγο υπόστρωμα για να φωτίσει το σκοτάδι. Ήταν επίσης πολύ ειδικό, πράγμα που σημαίνει ότι το ένζυμο προτιμούσε μόνο ένα υπόστρωμα. Με άλλα λόγια, η στρατηγική θα μπορούσε να σχεδιάσει πολλά ένζυμα, το καθένα που δεν έχει δει ποτέ στη φύση, για να εκτελεί ταυτόχρονα πολλές εργασίες. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν πολύχρωμη βιοφωταύγεια σαν μια μπάλα ντίσκο για την απεικόνιση διαφορετικών βιοχημικών οδών μέσα στα κύτταρα. Κάποια μέρα, τα κατασκευασμένα ένζυμα θα μπορούσαν επίσης να «διπλώσουν» το φάρμακο και, ας πούμε, να διαγνώσουν μια πάθηση και να δοκιμάσουν μια θεραπεία ταυτόχρονα.

«Οι ζωντανοί οργανισμοί είναι αξιόλογοι χημικοί. Αντί να βασίζονται σε τοξικές ενώσεις ή υπερβολική θερμότητα, χρησιμοποιούν ένζυμα για να διασπάσουν ή να δημιουργήσουν ό,τι χρειάζονται κάτω από ήπιες συνθήκες. Νέα ένζυμα θα μπορούσαν να φέρουν τις ανανεώσιμες χημικές ουσίες και τα βιοκαύσιμα σε κοντινή απόσταση». είπε Αρτοποιός.

Proteins by Design

Στον πυρήνα τους, τα ένζυμα είναι απλώς πρωτεΐνες. Αυτά είναι σπουδαία νέα για την τεχνητή νοημοσύνη.

Το 2021, το εργαστήριο Baker ανέπτυξε έναν αλγόριθμο που προβλέπει με ακρίβεια τις πρωτεϊνικές δομές με βάση μόνο την αλληλουχία αμινοξέων. Η ομάδα στη συνέχεια καρφώθηκε λειτουργικές τοποθεσίες σε πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας τον trRosetta, έναν αρχιτέκτονα τεχνητής νοημοσύνης που φαντάζεται και στη συνέχεια εξερευνά τα καυτά σημεία που μπορεί να πιάσει ένα φάρμακο, πρωτεΐνη ή αντίσωμα - ανοίγοντας το δρόμο για φάρμακα που οι άνθρωποι δεν μπορούν να ονειρευτούν.

Γιατί, λοιπόν, να μην χρησιμοποιήσουμε την ίδια στρατηγική για να σχεδιάσουμε ένζυμα και να επανασυνδέσουμε ουσιαστικά τη βιοχημεία της φύσης;

Ένζυμο 2.0

Η ομάδα εστίασε στη λουσιφεράση ως τον πρώτο της στόχο - το ένζυμο που κάνει τις πυγολαμπίδες να αστράφτουν.

Δεν είναι για παιδική νοσταλγία: η λουσιφεράση χρησιμοποιείται ευρέως στη βιολογική έρευνα. Με το κατάλληλο υπόστρωμα συνεργάτη, τα φωτοφόρα φωτόνια λάμπουν μέσα στο σκοτάδι χωρίς την ανάγκη εξωτερικής πηγής φωτός, επιτρέποντας στους επιστήμονες να κρυφοκοιτάξουν απευθείας τις εσωτερικές λειτουργίες ενός κυττάρου. Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει μόνο μερικούς τύπους αυτών των πολύτιμων ενζύμων, με πολλούς ακατάλληλους για κύτταρα θηλαστικών. Αυτό καθιστά το ένζυμο τέλειο υποψήφιο για σχεδιασμό που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη, είπε η ομάδα.

Ξεκίνησαν με πολλούς στόχους. Πρώτον, το νέο ένζυμο που εκπέμπει φως θα πρέπει να είναι μικρό και σταθερό σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Δεύτερον, χρειαζόταν να παίζει καλά με τα κύτταρα: όταν κωδικοποιούνταν ως γράμματα DNA και παραδίδονταν σε ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα, μπορούσε να κλέψει το εσωτερικό εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών του κυττάρου και να διπλωθεί σε ακριβείς τρισδιάστατες δομές χωρίς να προκαλέσει άγχος ή ζημιά στον ξενιστή του. Τρίτον, το υποψήφιο ένζυμο έπρεπε να είναι επιλεκτικό ώστε το υπόστρωμά του να εκπέμπει φως.

Η επιλογή των υποστρωμάτων ήταν εύκολη: η ομάδα εστίασε σε δύο χημικές ουσίες που ήταν ήδη χρήσιμες για την απεικόνιση. Και οι δύο ανήκουν σε μια οικογένεια που ονομάζεται "λουσιφερίνη", αλλά διαφέρουν στην ακριβή χημική τους δομή.

Μετά αντιμετώπισαν προβλήματα. Ένας κρίσιμος παράγοντας για την εκπαίδευση ενός AI είναι οι τόνοι δεδομένων. Οι περισσότερες προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν βάσεις δεδομένων ανοιχτού κώδικα όπως η Τράπεζα Δεδομένων Πρωτεϊνών για τον έλεγχο για πιθανά ικριώματα πρωτεΐνης - τη ραχοκοκαλιά που συνθέτει μια πρωτεΐνη. Ωστόσο, η DTZ (διφαινυλτεραζίνη), η πρώτη λουσιφερίνη της επιλογής τους, είχε λίγες συμμετοχές. Ακόμη χειρότερα, οι αλλαγές στην αλληλουχία τους προκάλεσαν απρόβλεπτα αποτελέσματα στην ικανότητά τους να εκπέμπουν φως.

Ως λύση, η ομάδα δημιούργησε τη δική της βάση δεδομένων πρωτεϊνικών ικριωμάτων. Η ραχοκοκαλιά της επιλογής τους ξεκίνησε από μια υποκατάστατη πρωτεΐνη, που ονομάστηκε NTF2 (πυρηνικός παράγοντας μεταφοράς 2). Είναι ένα άγριο στοίχημα: το NTF2 δεν έχει καμία σχέση με τη βιοφωταύγεια, αλλά περιείχε πολλαπλούς θύλακες σε μέγεθος και δομή που ήταν εφικτό να συνδεθεί το DTZ και ενδεχομένως να εκπέμπει φως.

Η στρατηγική υιοθεσίας λειτούργησε. Με μια μέθοδο που ονομάζεται «παραισθήσεις σε όλη την οικογένεια», η ομάδα χρησιμοποίησε τη βαθιά μάθηση για να παραισθήσει πάνω από δύο χιλιάδες πιθανές δομές ενζύμων που βασίζονται σε πρωτεϊνικές ραχοκοκαλιές τύπου NTF2. Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος βελτιστοποίησε τις περιοχές του πυρήνα του θύλακα σύνδεσης, ενώ επέτρεψε τη δημιουργικότητα σε πιο ευέλικτες περιοχές της πρωτεΐνης.

Στο τέλος, το AI είχε παραισθήσεις πάνω από 1,600 πρωτεϊνικά ικριώματα, το καθένα πιο κατάλληλο για DTZ από την αρχική πρωτεΐνη NTF2. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια του RosettaDesign—μια σουίτα τεχνητής νοημοσύνης και άλλα υπολογιστικά εργαλεία για τον σχεδιασμό πρωτεϊνών—η ομάδα διεξήγαγε περαιτέρω έλεγχο για ενεργές τοποθεσίες για DTZ, διατηρώντας παράλληλα το ικρίωμα σταθερό. Συνολικά, επιλέχθηκαν πάνω από 7,600 σχέδια για προβολή. Στο όνειρο ενός προξενητή (και στον εφιάλτη ενός μαθητή), τα σχέδια κωδικοποιήθηκαν σε αλληλουχίες DNA και εισήχθησαν σε βακτήρια για να δοκιμαστούν οι ενζυμικές τους δυνάμεις.

Ένας νικητής βασίλεψε. Με την ονομασία LuxSit (από τα λατινικά σημαίνει «αφήστε το φως να υπάρχει»), είναι συμπαγές—μικρότερο από οποιαδήποτε γνωστή λουσιφεράση—και απίστευτα σταθερό, διατηρώντας την πλήρη δομή στους 95 βαθμούς Κελσίου (203 Fahrenheit). Και λειτουργεί: όταν του δόθηκε το υπόστρωμά του, το DTZ, η συσκευή δοκιμής έλαμψε.

Ο αγώνας για τα ένζυμα σχεδιαστών

Με το LuxSit ανά χείρας, η ομάδα ξεκίνησε στη συνέχεια να βελτιστοποιήσει τις δυνατότητές της. Εστιάζοντας στον θύλακα δέσμευσής του, δημιούργησαν μια βιβλιοθήκη μεταλλαγμάτων στην οποία κάθε αμινοξύ μεταλλάχθηκε ένα κάθε φορά για να δουν εάν αυτές οι αλλαγές «γράμματος» επηρέασαν την απόδοσή του.

Spoiler: το έκαναν. Έλεγχος για το πιο ενεργό ένζυμο, η ομάδα βρήκε το LuxSit-i, το οποίο αντλεί 100 περισσότερα φωτόνια κάθε δευτερόλεπτο στην ίδια περιοχή σε σύγκριση με το LuxSit. Το νέο ένζυμο θριάμβευσε επίσης τις φυσικές λουσιφεράσες, φωτίζοντας τα κύτταρα 40 τοις εκατό περισσότερο από τη φυσική λουσιφεράση από το θαλάσσιο πανσέ - ένα είδος που λάμπει στις φωτεινές παραλίες στις ζεστές ακτές της Φλόριντα.

Σε σύγκριση με τα φυσικά του αντίστοιχα, το LuxSit-i είχε επίσης «εξαίσιαικανότητα στόχευσης του μορίου του υποστρώματος, DTZ, με 50πλάσια επιλεκτικότητα έναντι ενός άλλου υποστρώματος. Αυτό σημαίνει ότι το ένζυμο έπαιξε καλά με άλλες λουσιφεράσες, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθούν πολλαπλά συμβάντα μέσα στα κύτταρα ταυτόχρονα. Σε μια απόδειξη της ιδέας, η ομάδα απέδειξε ακριβώς αυτό, παρακολουθώντας δύο κρίσιμες κυτταρικές οδούς που εμπλέκονται στον μεταβολισμό, τον καρκίνο και τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος χρησιμοποιώντας το LuxSit-i και ένα άλλο ένζυμο λουσιφεράση. Κάθε ένζυμο έπιασε το υπόστρωμά του, εκπέμποντας διαφορετικό χρώμα φωτός.

Συνολικά, η μελέτη δείχνει περαιτέρω τη δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης για την αλλαγή των υπαρχουσών βιοχημικών διεργασιών - και πιθανώς τον σχεδιασμό της συνθετικής ζωής. Δεν είναι η πρώτη που αναζητά ένζυμα με πρόσθετες ή πιο αποτελεσματικές ικανότητες. Επιστροφή στην 2018, μια ομάδα στο Πρίνστον κατασκεύασε ένα νέο ένζυμο μεταλλάσσοντας πειραματικά κάθε αμινοξύ «hotspot» κάθε φορά—μια κουραστική, αν και ικανοποιητική προσπάθεια. Το Flash forward και η βαθιά μάθηση είναι, ο βήχας, που καταλύει ολόκληρη τη διαδικασία σχεδιασμού.

«Αυτή η ανακάλυψη σημαίνει ότι θα μπορούσαν, κατ' αρχήν, να σχεδιαστούν προσαρμοσμένα ένζυμα για σχεδόν οποιαδήποτε χημική αντίδραση», δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Δρ Andy Hsien-Wei Yeh.

Image Credit: Joshua Woroniecki από Pixabay

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/