Forskare använder AI för att drömma fram artificiella enzymer

Ett av mina favoritminnen från barndomens sommartid är att vara omgiven av eldflugor. När solen gick ner gnistrade deras skimrande sken upp bakgården som delikata älvljus. Att levande varelser kunde producera ljus kändes som magi.

Men det är inte magi. Det är enzymer.

Enzymer är livets katalysatorer. De driver varje steg i vår metabolism, driver fotosyntesen i växter, driver virus att replikera – och i vissa organismer utlöser de bioluminescens så att de lyser som diamanter.

Till skillnad från konstgjorda katalysatorer, som hjälper till att påskynda kemiska reaktioner men ofta kräver hög värme, tryck eller båda, är enzymer otroligt skonsamma. I likhet med jäst för bakning fungerar enzymer vid livsuppehållande temperaturer. Allt du behöver göra är att ge dem ett underlag och arbetsförhållanden – till exempel mjöl och vatten – så kommer de att utföra sin magi.

Det är delvis därför enzymer är otroligt värdefulla. Från att brygga öl till att tillverka mediciner och bryta ner föroreningar, enzymer är naturens expertkemister.

Tänk om vi kan överträffa naturen?

Denna vecka, en ny studie in Natur utnyttjade AI för att konstruera enzymer från grunden. Med hjälp av djupinlärning designade Dr. David Bakers team vid University of Washington ett nytt enzym som efterliknar eldflugans förmåga att tända ljus, men inuti mänskliga celler i petriskålar. Totalt sett "hallucinerade" AI över 7,500 XNUMX lovande enzymer, som testades ytterligare experimentellt och optimerades. Det resulterande ljuset var tillräckligt starkt för att se med bara ögon.

Jämfört med sin naturliga motsvarighet var det nya enzymet mycket effektivt och krävde bara lite substrat för att lysa upp mörkret. Det var också mycket specifikt, vilket betyder att enzymet bara föredrog ett substrat. Med andra ord kan strategin designa flera enzymer, var och en aldrig sett i naturen, för att utföra flera jobb samtidigt. Till exempel kan de utlösa flerfärgad bioluminescens som en discoboll för att avbilda olika biokemiska vägar inuti celler. En dag kunde de konstruerade enzymerna också "dubbeltrycka" medicin och, säg, diagnostisera ett tillstånd och testa en behandling samtidigt.

"Levande organismer är anmärkningsvärda kemister. Istället för att förlita sig på giftiga föreningar eller extrem värme, använder de enzymer för att bryta ner eller bygga upp vad de behöver under skonsamma förhållanden. Nya enzymer kan sätta förnybara kemikalier och biobränslen inom räckhåll.” sade Bagare.

Proteins by Design

I sin kärna är enzymer bara proteiner. Det är goda nyheter för AI.

Redan 2021 utvecklade Baker-labbet en algoritm som exakt förutsäger proteinstrukturer baserat på enbart aminosyrasekvensen. Därefter spikade laget funktionella webbplatser i proteiner med hjälp av trRosetta, en AI-arkitekt som föreställer sig och sedan finslipar på hot spots som ett läkemedel, protein eller antikropp kan ta tag i – vilket banar väg för mediciner som människor inte kan tänka sig.

Så varför inte använda samma strategi för att designa enzymer och i grunden omkoppla naturens biokemi?

Enzym 2.0

Teamet fokuserade på luciferas som sitt första mål - enzymet som får eldflugor att gnistra.

Det är inte för barndomens nostalgi: luciferas används ofta i biologisk forskning. Med rätt partnersubstrat lyser självlysande fotoner genom mörkret utan behov av en extern ljuskälla, vilket gör att forskare direkt kan kika in i en cells inre funktion. Hittills har forskare bara identifierat ett fåtal typer av dessa värdefulla enzymer, med många olämpliga för däggdjursceller. Detta gör enzymet till en perfekt kandidat för AI-driven design, sa teamet.

De gav sig ut med flera mål. För det första ska det nya ljusemitterande enzymet vara litet och stabilt i högre temperaturer. För det andra, det behövde leka bra med celler: när det kodades som DNA-bokstäver och levererades till levande mänskliga celler, kunde det kapa cellens interna proteintillverkningsfabrik och vikas in i exakta 3D-strukturer utan att orsaka stress eller skada på värden. Tre, kandidatenzymet måste vara selektivt för att dess substrat skulle avge ljus.

Det var lätt att välja substrat: teamet fokuserade på två kemikalier som redan var användbara för avbildning. Båda är i en familj som kallas "luciferin", men de skiljer sig åt i sin exakta kemiska struktur.

Sedan stötte de på problem. En kritisk faktor för att träna en AI är massor av data. De flesta tidigare studier använde databaser med öppen källkod som t.ex Proteindatabank att screena för eventuella proteinställningar – ryggraden som utgör ett protein. Ändå hade DTZ (difenylterazin), deras första val av luciferin, få poster. Ännu värre, förändringar i deras sekvens orsakade oförutsägbara resultat i deras förmåga att avge ljus.

Som en lösning skapade teamet sin egen databas med proteinställningar. Deras val av ryggrad startade från ett surrogatprotein, kallat NTF2 (nukleär transportfaktor 2). Det är en vild satsning: NTF2 har ingenting att göra med bioluminescens, men innehöll flera fickor i storlek och struktur som är möjliga för DTZ att binda till - och potentiellt avge ljus.

Adoptionsstrategin fungerade. Med en metod som kallas "familjeomfattande hallucination" använde teamet djupinlärning för att hallucinera över två tusen potentiella enzymstrukturer baserade på NTF2-liknande proteinryggrad. Algoritmen optimerade sedan kärnområdena i bindningsfickan, samtidigt som den tillät kreativitet i mer flexibla regioner av proteinet.

Till slut hallucinerade AI över 1,600 2 proteinställningar, var och en bättre lämpad för DTZ än det ursprungliga NTFXNUMX-proteinet. Nästa, med hjälp av RosettaDesign—en svit av AI och andra beräkningsverktyg för proteindesign—teamet screenade vidare efter aktiva platser för DTZ samtidigt som ställningen hölls stabil. Totalt valdes över 7,600 XNUMX mönster ut för screening. I en matchmakers dröm (och en students mardröm) kodades designen in i DNA-sekvenser och infogades i bakterier för att testa deras enzymatiska styrkor.

En vinnare regerade. Döpt till LuxSit (från latin för "låt ljus existera"), är den kompakt – mindre än alla kända luciferaser – och otroligt stabil och behåller sin fulla struktur vid 95 grader Celsius (203 Fahrenheit). Och det fungerar: när man fick sitt substrat, DTZ, glödde testapparaten.

Kapplöpningen om designerenzymer

Med LuxSit i handen satte teamet igång för att optimera sin förmåga. Med fokus på dess bindningsficka genererade de ett bibliotek av mutanter där varje aminosyra muterades en i taget för att se om dessa "bokstavsförändringar" påverkade dess prestanda.

Spoiler: det gjorde de. Under screening för det mest aktiva enzymet hittade teamet LuxSit-i, som pumpar ut 100 fler fotoner varje sekund till samma område jämfört med LuxSit. Det nya enzymet triumferade också över naturliga luciferaser och lyste upp cellerna 40 procent mer än naturligt förekommande luciferas från havets pensé – en art som lyser på de självlysande stränderna på Floridas varma stränder.

Jämfört med sina naturliga motsvarigheter hade LuxSit-i också en "utsökt” förmåga att rikta sin substratmolekyl, DTZ, med en 50-faldig selektivitet över ett annat substrat. Detta betyder att enzymet spelade bra med andra luciferaser, vilket gör det möjligt för forskare att övervaka flera händelser inuti celler samtidigt. I ett proof-of-concept bevisade teamet just detta genom att spåra två kritiska cellulära vägar involverade i metabolism, cancer och immunsystemets funktion med hjälp av LuxSit-i och ett annat luciferasenzym. Varje enzym tog tag i sitt substrat och avgav en annan färg av ljus.

Sammantaget illustrerar studien ytterligare kraften hos AI för att förändra befintliga biokemiska processer - och potentiellt designa syntetiskt liv. Det är inte den första som letar efter enzymer med ytterligare eller mer effektiva förmågor. Tillbaka i 2018, ett team på Princeton konstruerade ett nytt enzym genom att experimentellt mutera varje "hotspot"-aminosyra åt gången - ett tråkigt, om än givande försök. Flash framåt och djup inlärning är, hosta, katalyserar hela designprocessen.

"Detta genombrott innebär att specialanpassade enzymer för nästan alla kemiska reaktioner i princip skulle kunna utformas", säger studieförfattaren Dr. Andy Hsien-Wei Yeh.

Image Credit: Joshua Woroniecki från Pixabay

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/