Ученые используют ИИ для создания искусственных ферментов

Одно из моих любимых детских летних воспоминаний — это светлячки в окружении. Когда солнце садилось, их мерцающее сияние освещало задний двор, как нежные волшебные огоньки. Тот факт, что живые существа могут излучать свет, казался магией.

Но это не магия. Это ферменты.

Ферменты – катализаторы жизни. Они управляют каждым этапом нашего метаболизма, обеспечивают фотосинтез в растениях, заставляют вирусы размножаться, а у некоторых организмов запускают биолюминесценцию, поэтому они сияют, как бриллианты.

В отличие от искусственных катализаторов, которые помогают ускорить химические реакции, но часто требуют высокой температуры, давления или и того, и другого, ферменты невероятно щадящие. Подобно концепции дрожжей для выпечки, ферменты работают при поддерживающих жизнь температурах. Все, что вам нужно сделать, это дать им субстрат и условия для работы — например, муку и воду — и они творят свое волшебство.

Отчасти поэтому ферменты невероятно ценны. От пивоварения до производства лекарств и расщепления загрязняющих веществ ферменты являются экспертами-химиками природы.

Что, если мы сможем превзойти природу?

На этой неделе нового исследования in природа использовали ИИ для разработки ферментов с нуля. Используя глубокое обучение, команда доктора Дэвида Бейкера из Вашингтонского университета разработала новый фермент, который имитирует способность светлячка излучать свет, но внутри клеток человека в чашках Петри. Всего ИИ «галлюцинировал» более 7,500 многообещающих ферментов, которые были дополнительно протестированы и оптимизированы экспериментально. Полученный свет был достаточно ярким, чтобы видеть невооруженным глазом.

По сравнению со своим природным аналогом новый фермент был очень эффективным: для освещения в темноте требовалось совсем немного субстрата. Он также был высокоспецифичным, а это означало, что фермент предпочитал только один субстрат. Другими словами, эта стратегия может разработать несколько ферментов, никогда не встречавшихся в природе, для одновременного выполнения нескольких задач. Например, они могут запускать многоцветную биолюминесценцию, как дискотечный шар, для визуализации различных биохимических путей внутри клеток. Когда-нибудь сконструированные ферменты также смогут «двойным касанием» лекарств и, скажем, одновременно диагностировать состояние и тестировать лечение.

«Живые организмы — замечательные химики. Вместо того, чтобы полагаться на токсичные соединения или сильную жару, они используют ферменты для разрушения или создания всего, что им нужно, в щадящих условиях. Новые ферменты могут сделать возобновляемые химические вещества и биотопливо доступными». — сказал Бейкер.

Белки по дизайну

По своей сути ферменты — это просто белки. Это отличная новость для ИИ.

Еще в 2021 году лаборатория Бейкера разработала алгоритм, который точно предсказывает структуру белков только на основе аминокислотной последовательности. Затем команда прибила функциональные сайты в белках с помощью trRosetta, архитектора искусственного интеллекта, который представляет, а затем оттачивает горячие точки, за которые может зацепиться лекарство, белок или антитело, прокладывая путь для лекарств, которые люди не могут придумать.

Так почему бы не использовать ту же стратегию для разработки ферментов и фундаментальной перестройки биохимии природы?

Фермент 2.0

В качестве первой цели команда сосредоточилась на люциферазе — ферменте, который заставляет светлячков сиять.

Это не ностальгия по детству: люцифераза широко используется в биологических исследованиях. При правильном партнерском субстрате люминесцентные фотоны светятся в темноте без необходимости во внешнем источнике света, что позволяет ученым напрямую заглянуть внутрь клетки. Пока ученые идентифицировали лишь несколько типов этих ценных ферментов, многие из которых не подходят для клеток млекопитающих. По словам команды, это делает фермент идеальным кандидатом для дизайна, управляемого искусственным интеллектом.

Они поставили перед собой несколько целей. Во-первых, новый светоизлучающий фермент должен быть небольшим и стабильным при более высоких температурах. Во-вторых, он должен был хорошо работать с клетками: будучи закодированным в виде букв ДНК и доставленным в живые человеческие клетки, он мог захватить внутреннюю клеточную фабрику по производству белков и складываться в точные трехмерные структуры, не вызывая стресса или повреждения своего хозяина. В-третьих, фермент-кандидат должен был быть селективным в отношении того, чтобы его субстрат излучал свет.

Выбрать субстрат было легко: команда сосредоточилась на двух химических веществах, уже пригодных для визуализации. Оба принадлежат к семейству, получившему название «люциферин», но отличаются своей точной химической структурой.

Потом столкнулись с проблемами. Критическим фактором для обучения ИИ являются тонны данных. В большинстве предыдущих исследований использовались базы данных с открытым исходным кодом, такие как Банк Белковых Данных для поиска возможных белковых каркасов — основы, из которой состоит белок. Тем не менее, у DTZ (дифенилтеразина), их первого предпочтительного люциферина, было мало записей. Хуже того, изменения в их последовательности привели к непредсказуемым результатам в их способности излучать свет.

В качестве обходного пути команда создала собственную базу данных белковых каркасов. Их основа выбора началась с суррогатного белка, получившего название NTF2 (ядерный транспортный фактор 2). Это дикая ставка: NTF2 не имеет ничего общего с биолюминесценцией, но содержит множество карманов по размеру и структуре, с которыми DTZ может связываться и потенциально излучать свет.

Стратегия принятия сработала. С помощью метода, называемого «галлюцинация для всей семьи», команда использовала глубокое обучение, чтобы галлюцинировать более двух тысяч потенциальных ферментных структур, основанных на NTF2-подобных белковых остовах. Затем алгоритм оптимизировал основные области связывающего кармана, позволяя при этом проявлять творческий подход к более гибким областям белка.

В конце концов, ИИ галлюцинировал более 1,600 белковых каркасов, каждый из которых лучше подходил для DTZ, чем исходный белок NTF2. Далее с помощью РозеттаДизайн— набор ИИ и других вычислительных инструментов для дизайна белков — команда дополнительно проверила активные сайты для DTZ, сохраняя при этом стабильность каркаса. Всего для проверки было отобрано более 7,600 дизайнов. Во сне свахи (и в кошмаре аспиранта) конструкции были закодированы в последовательности ДНК и вставлены в бактерии для проверки их ферментативной силы.

Правил один победитель. Названный LuxSit (от латинского «пусть свет существует»), он компактен — меньше, чем любые известные люциферазы — и невероятно стабилен, сохраняя полную структуру при 95 градусах Цельсия (203 по Фаренгейту). И это работает: при подаче его подложки, ДТЗ, испытательный прибор засветился.

Гонка за дизайнерскими ферментами

Имея в руках LuxSit, команда решила оптимизировать его возможности. Сосредоточившись на его связывающем кармане, они создали библиотеку мутантов, в которой каждая аминокислота мутировала по одной, чтобы увидеть, влияют ли эти «буквенные» изменения на ее работу.

Спойлер: они сделали. При поиске наиболее активного фермента команда обнаружила LuxSit-i, который каждую секунду излучает на 100 фотонов больше на ту же область по сравнению с LuxSit. Новый фермент также одержал победу над естественными люциферазами, освещая клетки на 40 процентов сильнее, чем встречающаяся в природе люцифераза из морских анютиных глазок — видов, которые светятся на люминесцентных пляжах теплых берегов Флориды.

По сравнению со своими натуральными аналогами LuxSit-i также обладал «изысканный” способность воздействовать на свою молекулу субстрата, DTZ, с 50-кратной селективностью по сравнению с другим субстратом. Это означает, что фермент хорошо сочетается с другими люциферазами, что позволяет исследователям одновременно отслеживать несколько событий внутри клеток. В ходе проверки концепции команда доказала именно это, отслеживая два критических клеточных пути, участвующих в метаболизме, раке и функционировании иммунной системы, с помощью LuxSit-i и другого фермента люциферазы. Каждый фермент схватился за свой субстрат, излучая свет разного цвета.

В целом, исследование еще раз иллюстрирует возможности ИИ для изменения существующих биохимических процессов и потенциального создания синтетической жизни. Это не первая охота за ферментами с дополнительными или более эффективными способностями. Еще в 2018, команда из Принстона разработала новый фермент, экспериментально мутируя каждую «горячую точку» аминокислоты за раз — утомительная, но полезная попытка. Flash forward и глубокое обучение, кхм, катализируют весь процесс проектирования.

«Этот прорыв означает, что в принципе можно разработать специальные ферменты практически для любой химической реакции», — сказал автор исследования доктор Энди Сянь-Вей Йе.

Изображение Фото: Джошуа Воронецки от Pixabay

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/