Znanstveniki uporabljajo AI za ustvarjanje umetnih encimov

Eden mojih najljubših poletnih spominov iz otroštva je, ko sem bil obkrožen s kresničkami. Ko je sonce zašlo, je njihov lesketajoči sij zasvetil dvorišče kot nežne pravljične luči. Dejstvo, da lahko živa bitja proizvajajo svetlobo, se je zdelo kot čarovnija.

Ampak to ni čarovnija. To so encimi.

Encimi so katalizatorji življenja. Poganjajo vsak korak našega metabolizma, poganjajo fotosintezo v rastlinah, spodbujajo razmnoževanje virusov – in v določenih organizmih sprožijo bioluminiscenco, tako da se svetijo kot diamanti.

Za razliko od umetnih katalizatorjev, ki pomagajo pospešiti kemične reakcije, vendar pogosto zahtevajo visoko toploto, pritisk ali oboje, so encimi neverjetno nežni. Podobno kot kvas za peko, encimi delujejo pri temperaturah, ki vzdržujejo življenje. Vse kar morate storiti je, da jim daste substrat in delovne pogoje – na primer moko in vodo – in izvedli bodo svojo čarovnijo.

Delno zato so encimi neverjetno dragoceni. Od varjenja piva do proizvodnje zdravil in razgradnje onesnaževal so encimi naravni strokovni kemiki.

Kaj pa, če lahko prehitimo naravo?

Ta teden, nova študija in Narava uporabil AI za inženiring encimov iz nič. Z uporabo globokega učenja je ekipa dr. Davida Bakerja na Univerzi v Washingtonu oblikovala nov encim, ki posnema sposobnost kresničke, da sproži svetlobo, vendar znotraj človeških celic v petrijevkah. Na splošno je umetna inteligenca "halucinirala" več kot 7,500 obetavnih encimov, ki so bili nadalje eksperimentalno testirani in optimizirani. Nastala svetloba je bila dovolj svetla, da bi jo lahko videli s prostimi očmi.

V primerjavi s svojim naravnim dvojnikom je bil novi encim zelo učinkovit, saj je za razsvetlitev teme potreboval le malo substrata. Bil je tudi zelo specifičen, kar pomeni, da ima encim prednost samo en substrat. Z drugimi besedami, strategija bi lahko oblikovala več encimov, od katerih še nikoli ni bilo v naravi, da bi hkrati opravljali več nalog. Na primer, lahko sprožijo večbarvno bioluminiscenco kot disko krogla za slikanje različnih biokemičnih poti znotraj celic. Nekega dne bi lahko encimi, ki so jih razvili inženirji, lahko "dvojno posegli" po zdravilih in, recimo, hkrati diagnosticirali stanje in preizkusili zdravljenje.

»Živi organizmi so izjemni kemiki. Namesto da bi se zanašali na strupene spojine ali ekstremno vročino, uporabljajo encime, da razgradijo ali zgradijo vse, kar potrebujejo, v nežnih pogojih. Novi encimi bi lahko dosegli obnovljive kemikalije in biogoriva,« je dejal Baker.

Proteini po zasnovi

V svojem bistvu so encimi samo beljakovine. To je odlična novica za AI.

Že leta 2021 je Bakerjev laboratorij razvil algoritem, ki natančno napove proteinske strukture samo na podlagi zaporedja aminokislin. Naslednja ekipa je strmoglavila funkcionalna spletna mesta v beljakovinah z uporabo trRosetta, arhitekta umetne inteligence, ki si zamisli in nato izpili vroče točke, ki jih lahko zgrabi zdravilo, beljakovina ali protitelo – utira pot zdravilom, o katerih si ljudje ne morejo sanjati.

Zakaj torej ne bi uporabili iste strategije za oblikovanje encimov in temeljito preoblikovali biokemijo narave?

Encim 2.0

Ekipa se je osredotočila na luciferazo kot svojo prvo tarčo – encim, zaradi katerega se kresničke iskrijo.

Ni za nostalgijo po otroštvu: luciferaza se pogosto uporablja v bioloških raziskavah. S pravim partnerskim substratom luminiscenčni fotoni svetijo skozi temo brez potrebe po zunanjem viru svetlobe, kar znanstvenikom omogoča, da neposredno pokukajo v notranjost celice. Doslej so znanstveniki identificirali le nekaj vrst teh dragocenih encimov, pri čemer jih je veliko neprimernih za celice sesalcev. Zaradi tega je encim popoln kandidat za načrtovanje, ki ga poganja umetna inteligenca, je dejala ekipa.

Na pot so se podali z več cilji. Prvič, novi encim, ki oddaja svetlobo, mora biti majhen in stabilen pri višjih temperaturah. Drugič, dobro se je moral igrati s celicami: ko je kodiran kot črke DNK in dostavljen v žive človeške celice, bi lahko ugrabil celično notranjo tovarno za izdelavo beljakovin in se zložil v natančne 3D strukture, ne da bi povzročil stres ali škodo svojemu gostitelju. Tretjič, kandidatni encim je moral biti selektiven, da je njegov substrat oddajal svetlobo.

Izbira substratov je bila enostavna: ekipa se je osredotočila na dve kemikaliji, ki sta že uporabni za slikanje. Oba spadata v družino, imenovano "luciferin", vendar se razlikujeta po natančni kemijski strukturi.

Potem so naleteli na težave. Kritični dejavnik za usposabljanje AI je na tone podatkov. Večina prejšnjih študij je uporabljala odprtokodne baze podatkov, kot je Banka podatkov o beljakovinah za odkrivanje morebitnih beljakovinskih ogrodij – hrbtenice, ki sestavlja beljakovino. Toda DTZ (difenilterazin), njihov prvi izbrani luciferin, je imel malo vnosov. Še huje, spremembe v njihovem zaporedju so povzročile nepredvidljive rezultate v njihovi sposobnosti oddajanja svetlobe.

Kot rešitev je ekipa ustvarila lastno zbirko podatkov beljakovinskih odrov. Njihova hrbtenica izbire se je začela z nadomestnim proteinom, imenovanim NTF2 (jedrski transportni faktor 2). To je divja stava: NTF2 nima nič opraviti z bioluminiscenco, vendar je vseboval več žepov v velikosti in strukturi, na katere se je DTZ lahko vezal – in potencialno oddajal svetlobo.

Strategija posvojitve je delovala. Z metodo, imenovano »family-wide halucination«, je skupina uporabila globoko učenje, da bi halucinirala več kot dva tisoč potencialnih encimskih struktur, ki temeljijo na beljakovinskih hrbtenicah, podobnih NTF2. Algoritem je nato optimiziral osrednje regije veznega žepa, hkrati pa je omogočil ustvarjalnost v bolj prilagodljivih regijah proteina.

Na koncu je umetna inteligenca halucinirala več kot 1,600 proteinskih ogrodij, od katerih je bilo vsako bolj primerno za DTZ kot prvotni protein NTF2. Naprej, s pomočjo RosettaDesign—zbirko umetne inteligence in drugih računalniških orodij za načrtovanje proteinov—ekipa je dodatno pregledala aktivna mesta za DTZ, medtem ko je ogrodje ohranjalo stabilno. Na splošno je bilo za pregled izbranih več kot 7,600 modelov. V sanjah trgovca (in nočni mori podiplomskega študenta) so bili modeli kodirani v sekvence DNK in vstavljeni v bakterije, da bi preizkusili njihovo encimsko moč.

Kraljeval je en zmagovalec. Poimenovan LuxSit (iz latinščine za »naj obstaja svetloba«) je kompakten – manjši od vseh znanih luciferaz – in neverjetno stabilen ter ohranja celotno strukturo pri 95 stopinjah Celzija (203 Fahrenheita). In deluje: ko je testna naprava dobila svoj substrat, DTZ, je zasijala.

Tekma za oblikovalske encime

Z LuxSitom v roki se je ekipa nato lotila optimizacije svoje sposobnosti. Z osredotočanjem na njegov vezni žep so ustvarili knjižnico mutantov, v kateri je bila vsaka aminokislina mutirana ena za drugo, da bi ugotovili, ali te spremembe "črk" vplivajo na njeno delovanje.

Spojler: so. Pri pregledovanju najaktivnejšega encima je ekipa našla LuxSit-i, ki v primerjavi z LuxSitom vsako sekundo izčrpa 100 fotonov več na isto območje. Novi encim je prav tako zmagal nad naravnimi luciferazami in osvetli celice 40 odstotkov bolj kot naravno prisotna luciferaza iz morske mačehe – vrste, ki žari na svetlečih plažah na toplih obalah Floride.

V primerjavi z naravnimi primerki je imel LuxSit-i tudi “Odličen” sposobnost ciljanja na svojo substratno molekulo, DTZ, s 50-kratno selektivnostjo v primerjavi z drugim substratom. To pomeni, da se je encim dobro ujemal z drugimi luciferazami, kar je raziskovalcem omogočilo spremljanje več dogodkov znotraj celic hkrati. V dokazu koncepta je ekipa dokazala prav to, s sledenjem dveh kritičnih celičnih poti, vključenih v presnovo, raka in delovanje imunskega sistema, z uporabo LuxSit-i in drugega encima luciferaze. Vsak encim je zgrabil svojo podlago in oddajal drugačno barvo svetlobe.

Na splošno študija dodatno ponazarja moč umetne inteligence za spreminjanje obstoječih biokemičnih procesov – in potencialno načrtovanje sintetičnega življenja. Ni prvi, ki išče encime z dodatnimi ali učinkovitejšimi sposobnostmi. Nazaj v 2018, je skupina na Princetonu izdelala nov encim tako, da je eksperimentalno mutirala vsako aminokislino »vroče točke« naenkrat – dolgočasen, a nagrajujoč poskus. Hitro in poglobljeno učenje je, kašelj, katalizator celotnega procesa oblikovanja.

"Ta preboj pomeni, da bi lahko načeloma oblikovali encime po meri za skoraj vsako kemično reakcijo," je povedal avtor študije dr. Andy Hsien-Wei Yeh.

Kreditno slike: Joshua Woroniecki iz pixabay

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/