Gli scienziati stanno usando l'intelligenza artificiale per inventare enzimi artificiali

Uno dei miei ricordi estivi preferiti della mia infanzia è essere circondato da lucciole. Mentre il sole tramontava, il loro bagliore scintillante accendeva il cortile come delicate lucine. Il fatto che gli esseri viventi potessero produrre luce sembrava magico.

Ma non è magia. Sono gli enzimi.

Gli enzimi sono i catalizzatori della vita. Guidano ogni fase del nostro metabolismo, alimentano la fotosintesi nelle piante, spingono i virus a replicarsi e, in alcuni organismi, innescano la bioluminescenza in modo che brillino come diamanti.

A differenza dei catalizzatori artificiali, che aiutano ad accelerare le reazioni chimiche ma spesso richiedono calore elevato, pressione o entrambi, gli enzimi sono incredibilmente delicati. Simile nel concetto al lievito per la panificazione, gli enzimi lavorano a temperature che sostengono la vita. Tutto quello che devi fare è dare loro un substrato e le condizioni di lavoro, ad esempio farina e acqua, e loro eseguiranno la loro magia.

È in parte il motivo per cui gli enzimi sono incredibilmente preziosi. Dalla produzione della birra alla produzione di farmaci e all'abbattimento di sostanze inquinanti, gli enzimi sono i chimici esperti della natura.

E se riuscissimo a superare la natura?

Questa settimana, un nuovo studio in Natura sfruttato l'intelligenza artificiale per progettare enzimi da zero. Usando il deep learning, il team del Dr. David Baker dell'Università di Washington ha progettato un nuovo enzima che imita la capacità della lucciola di accendere la luce, ma all'interno delle cellule umane nelle piastre di Petri. Complessivamente, l'intelligenza artificiale ha "allucinato" oltre 7,500 enzimi promettenti, che sono stati ulteriormente testati e ottimizzati sperimentalmente. La luce risultante era abbastanza brillante da poter essere vista ad occhi nudi.

Rispetto alla sua controparte naturale, il nuovo enzima era molto efficace, richiedendo solo un po' di substrato per illuminare l'oscurità. Era anche altamente specifico, il che significa che l'enzima preferiva solo un substrato. In altre parole, la strategia potrebbe progettare più enzimi, ciascuno mai visto in natura, per svolgere simultaneamente più lavori. Ad esempio, potrebbero attivare la bioluminescenza a più colori come una palla da discoteca per l'imaging di diversi percorsi biochimici all'interno delle cellule. Un giorno, gli enzimi ingegnerizzati potrebbero anche "toccare due volte" la medicina e, diciamo, diagnosticare una condizione e testare un trattamento allo stesso tempo.

“Gli organismi viventi sono chimici straordinari. Piuttosto che fare affidamento su composti tossici o calore estremo, usano gli enzimi per abbattere o accumulare tutto ciò di cui hanno bisogno in condizioni delicate. Nuovi enzimi potrebbero mettere a portata di mano prodotti chimici e biocarburanti rinnovabili”. disse Panettiere.

Proteine ​​in base alla progettazione

Al loro centro, gli enzimi sono solo proteine. Questa è un'ottima notizia per l'IA.

Nel 2021, il laboratorio Baker ha sviluppato un algoritmo che prevede con precisione le strutture proteiche basandosi solo sulla sequenza degli amminoacidi. Successivamente la squadra si è inchiodata siti funzionali nelle proteine ​​​​usando trRosetta, un architetto di intelligenza artificiale che immagina e poi affina i punti caldi a cui un farmaco, una proteina o un anticorpo possono aggrapparsi, aprendo la strada a farmaci che gli umani non possono immaginare.

Allora perché non utilizzare la stessa strategia per progettare enzimi e ricablare fondamentalmente la biochimica della natura?

Enzima 2.0

Il team si è concentrato sulla luciferasi come primo obiettivo, l'enzima che fa brillare le lucciole.

Non è per la nostalgia dell'infanzia: la luciferasi è ampiamente utilizzata nella ricerca biologica. Con il giusto substrato partner, i fotoni luminescenti brillano nell'oscurità senza la necessità di una fonte di luce esterna, consentendo agli scienziati di sbirciare direttamente all'interno dei meccanismi interni di una cellula. Finora, gli scienziati hanno identificato solo alcuni tipi di questi preziosi enzimi, molti dei quali non adatti alle cellule dei mammiferi. Ciò rende l'enzima un candidato perfetto per la progettazione guidata dall'intelligenza artificiale, ha affermato il team.

Sono partiti con diversi obiettivi. Uno, il nuovo enzima che emette luce dovrebbe essere piccolo e stabile a temperature più elevate. Due, doveva funzionare bene con le cellule: quando codificato come lettere del DNA e consegnato nelle cellule umane viventi, poteva dirottare la fabbrica interna di produzione di proteine ​​della cellula e ripiegarsi in accurate strutture 3D senza causare stress o danni al suo ospite. Tre, l'enzima candidato doveva essere selettivo affinché il suo substrato emettesse luce.

Selezionare i substrati è stato facile: il team si è concentrato su due sostanze chimiche già utili per l'imaging. Entrambi appartengono a una famiglia chiamata "luciferina", ma differiscono nella loro esatta struttura chimica.

Poi hanno avuto problemi. Un fattore critico per addestrare un'intelligenza artificiale sono tonnellate di dati. La maggior parte degli studi precedenti utilizzava database open source come il Banca dati proteica per lo screening di possibili scaffold proteici, la spina dorsale che costituisce una proteina. Eppure DTZ (difenilterazina), la loro prima luciferina scelta, aveva poche voci. Ancora peggio, le modifiche alla loro sequenza hanno causato risultati imprevedibili nella loro capacità di emettere luce.

Come soluzione alternativa, il team ha generato il proprio database di scaffold proteici. La loro spina dorsale di scelta è iniziata da una proteina surrogata, soprannominata NTF2 (fattore di trasporto nucleare 2). È una scommessa selvaggia: NTF2 non ha nulla a che fare con la bioluminescenza, ma conteneva più sacche di dimensioni e struttura a cui DTZ può legarsi e potenzialmente emettere luce.

La strategia di adozione ha funzionato. Con un metodo chiamato "allucinazione familiare", il team ha utilizzato l'apprendimento profondo per allucinare oltre duemila potenziali strutture enzimatiche basate su dorsali proteiche simili a NTF2. L'algoritmo ha quindi ottimizzato le regioni centrali della tasca di legame, consentendo la creatività in regioni più flessibili della proteina.

Alla fine, l'intelligenza artificiale ha allucinato oltre 1,600 scaffold proteici, ciascuno più adatto per DTZ rispetto alla proteina NTF2 originale. Successivamente, con l'aiuto di RosettaDesign— una suite di intelligenza artificiale e altri strumenti computazionali per la progettazione delle proteine ​​— il team ha ulteriormente esaminato i siti attivi per DTZ mantenendo stabile lo scaffold. Complessivamente, sono stati selezionati per lo screening oltre 7,600 progetti. Nel sogno di un sensale (e nell'incubo di uno studente laureato), i disegni sono stati codificati in sequenze di DNA e inseriti nei batteri per testare le loro forze enzimatiche.

Regnava un vincitore. Soprannominato LuxSit (dal latino "lascia che la luce esista"), è compatto, più piccolo di qualsiasi luciferasi conosciuta, e incredibilmente stabile, mantenendo la struttura completa a 95 gradi Celsius (203 gradi Fahrenheit). E funziona: quando gli è stato dato il suo substrato, DTZ, l'apparato di test si è acceso.

La corsa agli enzimi di design

Con LuxSit in mano, il team ha quindi deciso di ottimizzarne le capacità. Concentrandosi sulla sua tasca di legame, hanno generato una libreria di mutanti in cui ogni aminoacido è stato mutato uno alla volta per vedere se questi cambiamenti di "lettera" hanno influito sulle sue prestazioni.

Spoiler: l'hanno fatto. Analizzando l'enzima più attivo, il team ha trovato LuxSit-i, che emette 100 fotoni in più ogni secondo sulla stessa area rispetto a LuxSit. Il nuovo enzima ha anche trionfato sulle luciferasi naturali, illuminando le cellule del 40 percento in più rispetto alla luciferasi naturale della viola del pensiero, una specie che risplende sulle spiagge luminescenti delle calde coste della Florida.

Rispetto alle sue controparti naturali, LuxSit-i aveva anche un "squisito"capacità di indirizzare la sua molecola di substrato, DTZ, con una selettività 50 volte superiore rispetto a un altro substrato. Ciò significa che l'enzima ha funzionato bene con altre luciferasi, consentendo ai ricercatori di monitorare simultaneamente più eventi all'interno delle cellule. In una prova di concetto il team ha dimostrato proprio questo, monitorando due percorsi cellulari critici coinvolti nel metabolismo, nel cancro e nella funzione del sistema immunitario utilizzando LuxSit-i e un altro enzima luciferasi. Ogni enzima si è aggrappato al proprio substrato, emettendo un diverso colore di luce.

Nel complesso, lo studio illustra ulteriormente il potere dell'intelligenza artificiale per alterare i processi biochimici esistenti e potenzialmente progettare la vita sintetica. Non è il primo a cercare enzimi con capacità aggiuntive o più efficienti. Torna in 2018, un team di Princeton ha progettato un nuovo enzima mutando sperimentalmente ogni amminoacido "hotspot" alla volta: un tentativo noioso, anche se gratificante. Il flash forward e il deep learning stanno catalizzando l'intero processo di progettazione.

"Questa svolta significa che gli enzimi personalizzati per quasi tutte le reazioni chimiche potrebbero, in linea di principio, essere progettati", ha affermato l'autore dello studio, il dottor Andy Hsien-Wei Yeh.

Immagine di credito: Giosuè Woroniecki da Pixabay

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/