एआई अब जैविक 'ट्रांजिस्टर' की तरह व्यवहार करने वाले प्रोटीन डिजाइन कर सकता है

हम अक्सर प्रोटीन को अपरिवर्तनीय 3डी मूर्तियों के रूप में सोचते हैं।

वह बात तो ठीक नहीं है। कई प्रोटीन ट्रांसफार्मर होते हैं जो जैविक आवश्यकताओं के आधार पर अपने आकार को मोड़ते और बदलते हैं। एक कॉन्फ़िगरेशन स्ट्रोक या दिल के दौरे से हानिकारक संकेत प्रसारित कर सकता है। दूसरा परिणामी आणविक झरने को अवरुद्ध कर सकता है और नुकसान को सीमित कर सकता है।

एक तरह से, प्रोटीन जैविक ट्रांजिस्टर की तरह काम करते हैं - शरीर के आणविक "कंप्यूटर" की जड़ में ऑन-ऑफ स्विच यह निर्धारित करते हैं कि यह बाहरी और आंतरिक बलों और प्रतिक्रिया पर कैसे प्रतिक्रिया करता है। हमारे शरीर कैसे कार्य करते हैं, यह समझने के लिए वैज्ञानिक लंबे समय से आकार बदलने वाले इन प्रोटीनों का अध्ययन कर रहे हैं।

लेकिन केवल प्रकृति पर निर्भर क्यों रहें? क्या हम खरोंच से जैविक "ट्रांजिस्टर" बना सकते हैं, जो जैविक ब्रह्मांड के लिए अज्ञात है?

एआई दर्ज करें. कई गहन शिक्षण विधियां पहले से ही प्रोटीन संरचनाओं की सटीक भविष्यवाणी कर सकती हैं-निर्माण में आधी सदी की एक सफलता. तेजी से शक्तिशाली एल्गोरिदम का उपयोग करने वाले बाद के अध्ययनों ने विकास की ताकतों से असंबंधित प्रोटीन संरचनाओं को विभ्रमित कर दिया है।

फिर भी इन एआई-जनरेटेड संरचनाओं में गिरावट आई है: हालांकि अत्यधिक जटिल, अधिकांश पूरी तरह से स्थिर हैं - अनिवार्य रूप से, एक प्रकार की डिजिटल प्रोटीन मूर्तिकला जो समय के साथ जमी हुई है।

एक नए अध्ययन से in विज्ञान इस महीने डिज़ाइनर प्रोटीन में लचीलापन जोड़कर इस साँचे को तोड़ा गया। नई संरचनाएं असीमित रूप से विकृत करने वाली नहीं हैं। हालाँकि, डिज़ाइनर प्रोटीन दो अलग-अलग रूपों में स्थिर हो सकते हैं - एक खुले या बंद विन्यास में एक काज के बारे में सोचें - जो बाहरी जैविक "लॉक" पर निर्भर करता है। प्रत्येक स्थिति कंप्यूटर के "0" या "1" के समान होती है, जो बाद में सेल के आउटपुट को नियंत्रित करती है।

वाशिंगटन विश्वविद्यालय में अध्ययन के लेखक डॉ. फ्लोरियन प्रेटोरियस ने कहा, "इससे पहले, हम केवल एक ही स्थिर विन्यास वाले प्रोटीन बना सकते थे।" "अब, हम अंततः गतिमान प्रोटीन बना सकते हैं, जिससे अनुप्रयोगों की एक असाधारण श्रृंखला खुल जाएगी।"

मुख्य लेखक डॉ. डेविड बेकर के विचार हैं: "पर्यावरण में रसायनों के प्रति प्रतिक्रिया करने वाले नैनोस्ट्रक्चर बनाने से लेकर दवा वितरण में अनुप्रयोगों तक, हम बस उनकी क्षमता का दोहन करना शुरू कर रहे हैं।"

एआई में निर्मित एक प्रोटीन विवाह

जीव विज्ञान का एक त्वरित अंश 101।

प्रोटीन हमारे शरीर का निर्माण और संचालन करते हैं। ये मैक्रोमोलेक्यूल्स डीएनए से अपनी यात्रा शुरू करते हैं। आनुवंशिक जानकारी को अमीनो एसिड में अनुवादित किया जाता है, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं - एक स्ट्रिंग पर मोतियों का चित्र। फिर प्रत्येक स्ट्रिंग को जटिल 3D आकृतियों में मोड़ दिया जाता है, जिसके कुछ हिस्से दूसरों से चिपक जाते हैं। द्वितीयक संरचनाएं कहलाती हैं, कुछ कॉन्फ़िगरेशन ट्विज़लर की तरह दिखते हैं। अन्य लोग कालीन जैसी चादरें बुनते हैं। ये आकृतियाँ एक-दूसरे पर आगे बढ़ती हैं, जिससे अत्यधिक परिष्कृत प्रोटीन वास्तुकला बनती है।

यह समझकर कि प्रोटीन अपना आकार कैसे प्राप्त करते हैं, हम संभावित रूप से नए सिरे से इंजीनियर कर सकते हैं, जैविक ब्रह्मांड का विस्तार कर सकते हैं और वायरल संक्रमण और अन्य बीमारियों के खिलाफ नए हथियार बना सकते हैं।

2020 में, डीपमाइंड के अल्फ़ाफ़ोल्ड और डेविड बेकर लैब के रोज़टीटीएफ़ोल्ड ने अकेले अपने अमीनो एसिड अनुक्रमों के आधार पर प्रोटीन संरचनाओं की सटीक भविष्यवाणी करके संरचनात्मक जीव विज्ञान इंटरनेट को तोड़ दिया।

तब से, एआई मॉडल ने विज्ञान के लिए ज्ञात और अज्ञात लगभग हर प्रोटीन के आकार की भविष्यवाणी की है। ये शक्तिशाली उपकरण पहले से ही जैविक अनुसंधान को नया आकार दे रहे हैं, जिससे वैज्ञानिकों को संभावित लक्ष्यों को शीघ्रता से पूरा करने में मदद मिल रही है एंटीबायोटिक प्रतिरोध का मुकाबला करें, अध्ययन हमारे डीएनए का "आवास"।, नए टीके विकसित करें या मस्तिष्क को नष्ट करने वाली बीमारियों पर भी प्रकाश डालें, जैसे पार्किंसंस रोग.

फिर एक धमाका हुआ: DALL-E और ChatGPT जैसे जेनेरिक AI मॉडल ने एक लुभावनी संभावना पेश की। केवल प्रोटीन संरचनाओं की भविष्यवाणी करने के बजाय, क्यों नहीं एआई का सपना देखो पूर्णतः नवीन इसके बजाय प्रोटीन संरचनाएँ? एक प्रोटीन से जो कैल्शियम के स्तर को नियंत्रित करने के लिए हार्मोन को बांधता है कृत्रिम एंजाइम जो कि बायोलुमिनसेंस को उत्प्रेरित करता है, प्रारंभिक परिणामों ने उत्साह जगाया और एआई-डिज़ाइन किए गए प्रोटीन की संभावना अनंत लग रही थी।

इन खोजों के शीर्ष पर बेकर की प्रयोगशाला है। रोज़ टीटीएएफफोल्ड जारी करने के तुरंत बाद, उन्होंने प्रोटीन पर कार्यात्मक साइटों को खत्म करने के लिए एल्गोरिदम विकसित किया - जहां यह अन्य प्रोटीन, दवाओं या एंटीबॉडी के साथ बातचीत करता है - जिससे वैज्ञानिकों के लिए मार्ग प्रशस्त होता है सपने देखो नई दवाओं की उन्होंने अभी तक कल्पना नहीं की है।

फिर भी एक चीज़ की कमी थी: लचीलापन। बड़ी संख्या में प्रोटीन अपने जैविक संदेश को बदलने के लिए आकार में "कोड शिफ्ट" करते हैं। परिणाम वस्तुतः जीवन या मृत्यु हो सकता है: उदाहरण के लिए, बैक्स नामक प्रोटीन, अपना आकार बदल लेता है एक ऐसी संरचना में जो कोशिका मृत्यु को ट्रिगर करती है। अल्जाइमर रोग में शामिल प्रोटीन अमाइलॉइड बीटा, कुख्यात रूप से एक अलग आकार लेता है क्योंकि यह मस्तिष्क कोशिकाओं को नुकसान पहुंचाता है।

एक एआई जो समान फ्लिप-फ्लॉप प्रोटीन को मतिभ्रम करता है, हमें इन जैविक पहेलियों को समझने और पुनर्पूंजीकरण करने के करीब ले जा सकता है - जिससे नए चिकित्सा समाधान प्राप्त हो सकते हैं।

हिंज, लाइन और सिंकर

परमाणु स्तर पर एक प्रोटीन को डिज़ाइन करना - और यह आशा करना कि यह जीवित कोशिका में काम करेगा - कठिन है। दो कॉन्फ़िगरेशन के साथ एक को डिज़ाइन करना एक बुरा सपना है।

एक ढीली सादृश्यता के रूप में, एक बादल में बर्फ के क्रिस्टल के बारे में सोचें जो अंततः बर्फ के टुकड़ों में बदल जाते हैं, प्रत्येक की संरचना अलग-अलग होती है। एआई का काम प्रोटीन बनाना है जो एक ही अमीनो एसिड "आइस क्रिस्टल" का उपयोग करके दो अलग-अलग "स्नोफ्लेक्स" के बीच स्थानांतरित हो सकता है, प्रत्येक स्थिति एक "ऑन" या "ऑफ" स्विच के अनुरूप होती है। इसके अतिरिक्त, प्रोटीन को जीवित कोशिकाओं के अंदर अच्छा काम करना होता है।

टीम ने कई नियमों के साथ शुरुआत की. सबसे पहले, प्रत्येक संरचना को दो स्थितियों के बीच काफी अलग दिखना चाहिए - जैसे खड़े या बैठे मानव प्रोफ़ाइल। टीम ने बताया कि वे परमाणुओं के बीच की दूरी को मापकर इसकी जांच कर सकते हैं। दूसरा, बदलाव तेजी से होना चाहिए। इसका मतलब यह है कि प्रोटीन खुद को दूसरे आकार में वापस जोड़ने से पहले पूरी तरह से खुल नहीं सकता है, जिसमें समय लगता है।

फिर एक कार्यात्मक प्रोटीन के लिए कुछ आधारभूत दिशानिर्देश हैं: इसे दोनों राज्यों में शारीरिक तरल पदार्थों के साथ अच्छा खेलना होगा। अंत में, इसे एक स्विच के रूप में कार्य करना होगा, इनपुट और आउटपुट के आधार पर अपना आकार बदलना होगा।

टीम ने कहा, "इन सभी गुणों को एक प्रोटीन प्रणाली में पूरा करना चुनौतीपूर्ण है।"

अल्फ़ाफ़ोल्ड, रोसेटा और प्रोटीनएमपीएनएन के मिश्रण का उपयोग करके, अंतिम डिज़ाइन एक काज जैसा दिखता है। इसमें दो कठोर हिस्से होते हैं जो एक दूसरे के सापेक्ष गति कर सकते हैं, जबकि दूसरा टुकड़ा मुड़ा हुआ रहता है। सामान्यतः प्रोटीन बंद रहता है। ट्रिगर एक छोटा पेप्टाइड है - अमीनो एसिड की एक छोटी श्रृंखला - जो टिका से बंधती है और इसके आकार में बदलाव को ट्रिगर करती है। इन तथाकथित "इफ़ेक्टर पेप्टाइड्स" को विशिष्टता के लिए सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया गया था, जिससे लक्ष्य से बाहर के हिस्सों पर कब्ज़ा करने की संभावना कम हो गई थी।

टीम ने सबसे पहले कई हिंज डिजाइनों में अंधेरे में चमकने वाले ट्रिगर पेप्टाइड्स जोड़े। बाद के विश्लेषण से पता चला कि ट्रिगर ने आसानी से काज को पकड़ लिया। प्रोटीन का विन्यास बदल गया। विवेक जांच के रूप में, एआई विश्लेषण का उपयोग करके आकार की भविष्यवाणी पहले की गई थी।

प्रभावकारक के साथ या उसके बिना, प्रोटीन डिज़ाइन की क्रिस्टलीकृत संरचनाओं का उपयोग करके किए गए अतिरिक्त अध्ययनों ने परिणामों को और अधिक मान्य किया। इन परीक्षणों ने उन डिज़ाइन सिद्धांतों का भी पता लगाया जो काज को काम करते थे, और पैरामीटर जो एक स्थिति को दूसरे की ओर ले जाते थे।

दूर ले जाओ? एआई अब प्रोटीन को दो अलग-अलग अवस्थाओं में डिजाइन कर सकता है - अनिवार्य रूप से सिंथेटिक जीव विज्ञान के लिए जैविक ट्रांजिस्टर का निर्माण। अभी के लिए, सिस्टम अपने अध्ययन में केवल कस्टम-डिज़ाइन किए गए प्रभावकारी पेप्टाइड्स का उपयोग करता है, जो अनुसंधान और नैदानिक ​​​​क्षमता को सीमित कर सकता है। लेकिन टीम के अनुसार, रणनीति प्राकृतिक पेप्टाइड्स तक भी विस्तारित हो सकती है, जैसे कि वे जो रक्त शर्करा को विनियमित करने में शामिल प्रोटीन को बांधते हैं, ऊतकों में पानी को नियंत्रित करते हैं, या मस्तिष्क गतिविधि को प्रभावित करते हैं।

टीम ने कहा, "इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में ट्रांजिस्टर की तरह, हम सेंसिंग डिवाइस बनाने और उन्हें बड़े प्रोटीन सिस्टम में शामिल करने के लिए बाहरी आउटपुट और इनपुट पर स्विच जोड़ सकते हैं।"

अध्ययन लेखक डॉ. फिलिप लेउंग कहते हैं: "यह जैव प्रौद्योगिकी में उसी तरह क्रांति ला सकता है जैसे ट्रांजिस्टर ने इलेक्ट्रॉनिक्स में बदलाव किया।"

छवि क्रेडिट: इयान सी हेडन/यूडब्ल्यू इंस्टीट्यूट फॉर प्रोटीन डिज़ाइन

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• स्रोत: https://singularityhub.com/2023/08/22/ai-can-now-design-proteins-that-behave-like-biological-transistors/