Znanstveniki so ustvarili sistem "biološke umetne inteligence"

Avstralski znanstveniki so uspešno razvili raziskovalni sistem, ki uporablja »biološko umetno inteligenco« za načrtovanje in razvoj molekul z novimi ali izboljšanimi funkcijami neposredno v celicah sesalcev. Raziskovalci pravijo, da sistem predstavlja močno novo orodje, ki bi lahko znanstvenikom pomagalo pri razvoju bolj specifičnih in učinkovitih raziskovalnih zdravil ali genskih terapij.

Sistem, imenovan PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection – evolucija PROTein z uporabo selekcije), uporablja metodo, imenovano »usmerjena evolucija«, laboratorijsko tehniko, ki posnema naravno silo evolucije. Vendar namesto da bi trajalo leta ali desetletja, pospeši cikle evolucije in naravne selekcije ter v samo nekaj tednih ustvari molekule z novimi funkcijami.

To bi lahko neposredno vplivalo na iskanje novih, učinkovitejših zdravil. Sistem bi se na primer lahko uporabil za izboljšanje tehnologij za urejanje genov, kot je CRISPR, da bi postale učinkovitejše.

»To pomeni, da lahko PROTEUS uporabimo za ustvarjanje novih molekul, ki so optimizirane za delovanje v naših telesih, in ustvarimo lahko nova zdravila, ki bi jih bilo s trenutno tehnologijo težko ali nemogoče ustvariti,« pravi soavtor študije profesor Greg Neely, vodja laboratorija za funkcionalno genomiko dr. Johna in Anne Chong na Univerzi v Sydneyju.

"Novost našega dela je, da usmerjena evolucija deluje predvsem v bakterijskih celicah, medtem ko lahko PROTEUS razvija molekule v sesalskih celicah."

Sistem PROTEUS lahko rešuje probleme z negotovo rešitvijo – podobno kot uporabnik vnaša poizvedbe v platformo umetne inteligence. Problem je lahko na primer, kako učinkovito »izklopiti« gen bolezni v telesu osebe.

PROTEUS nato s pomočjo usmerjene evolucije razišče milijone možnih zaporedij, ki v naravi še ne obstajajo, in najde molekule z lastnostmi, ki so zelo prilagojene problemu. To pomeni, da lahko PROTEUS najde rešitve, za katere bi človeški raziskovalci potrebovali leta – če bi jih sploh lahko našli.

Znanstveniki so poročali, da so s pomočjo zdravila PROTEUS razvili izboljšane različice beljakovin, ki jih je lažje uravnavati z zdravili, pa tudi nanotelesa (mini različice protiteles), ki lahko zaznajo poškodbe DNK, pomemben proces, ki prispeva k razvoju raka. Vendar pa, kot so poudarili avtorji, uporaba zdravila PROTEUS ni omejena le na to: lahko se uporablja za izboljšanje delovanja večine beljakovin in molekul.

Rezultati so objavljeni v reviji Nature Communications. Raziskavo so izvedli v Centru Charlesa Perkinsa na Univerzi v Sydneyju v sodelovanju z raziskovalci iz Centenary Institute.

Odkritje molekularnega strojnega učenja

Prvotni razvoj metode usmerjene evolucije, ki je bil prvič uporabljen pri bakterijah, je leta 2018 prejel Nobelovo nagrado za kemijo.

»Izum usmerjene evolucije je spremenil potek biokemije. Zdaj lahko s sistemom PROTEUS programiramo sesalsko celico, da reši genetski problem, za katerega nimamo pripravljenega odgovora. Če pustimo, da sistem deluje neprekinjeno, lahko redno spremljamo, kako rešuje problem,« je dejal vodilni raziskovalec dr. Christopher Denes iz Centra Charlesa Perkinsa in Šole za življenje in okoljske vede.

Glavni izziv, s katerim sta se soočila Denes in njegova ekipa, je bil, kako narediti sesalsko celico odporno na več ciklov evolucije in mutacij, hkrati pa ohraniti njeno stabilnost in preprečiti, da bi sistem "goljufal" z iskanjem trivialnih rešitev, ki ne ustrezajo zastavljeni nalogi.

Znanstveniki so našli rešitev z uporabo himernih delcev, podobnih virusom, zasnove, ki jo sestavljata zunanja lupina enega virusa in geni drugega. Ta zasnova je preprečila, da bi sistem "goljufal".

Zasnova je združila elemente dveh zelo različnih družin virusov in ustvarila »najboljše iz obeh svetov«. Nastali sistem je celicam omogočil, da so vzporedno obdelovale številne različne možne rešitve, pri čemer so izboljšane rešitve postale prevladujoče, napačne pa so izginile.

»PROTEUS je stabilen, robusten in je bil validiran v neodvisnih laboratorijih. Spodbujamo druge raziskovalne skupine, da uporabljajo to metodo. Z uporabo PROTEUS-a upamo, da bomo spodbudili razvoj nove generacije encimov, molekularnih orodij in terapevtikov,« je dejal dr. Denes.

»Ta sistem smo odprli za raziskovalno skupnost in se veselimo, kako se bo uporabljal. Naš cilj je izboljšati tehnologije urejanja genov in izpopolniti zdravila mRNA za močnejše in specifičnejše učinke,« je dodal profesor Neely.