Naukowcy stworzyli system „biologicznej sztucznej inteligencji”

Australijscy naukowcy z powodzeniem opracowali system badawczy, który wykorzystuje „biologiczną sztuczną inteligencję” do projektowania i ewolucji cząsteczek o nowych lub ulepszonych funkcjach bezpośrednio w komórkach ssaków. Naukowcy twierdzą, że system ten stanowi potężne nowe narzędzie, które może pomóc naukowcom w opracowaniu bardziej specyficznych i skutecznych leków lub terapii genowych.

System o nazwie PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection) wykorzystuje metodę zwaną „ewolucją sterowaną” – technikę laboratoryjną, która naśladuje naturalne procesy ewolucji. Zamiast jednak trwać latami czy dekadami, przyspiesza cykle ewolucji i doboru naturalnego, tworząc cząsteczki o nowych funkcjach w ciągu zaledwie kilku tygodni.

Może to mieć bezpośredni wpływ na poszukiwania nowych, skuteczniejszych leków. System mógłby na przykład zostać wykorzystany do udoskonalenia technologii edycji genów, takich jak CRISPR, aby zwiększyć ich skuteczność.

„Oznacza to, że PROTEUS może być używany do generowania nowych cząsteczek zoptymalizowanych pod kątem działania w naszych organizmach, a my możemy tworzyć nowe leki, których stworzenie przy użyciu obecnej technologii byłoby trudne lub niemożliwe” – mówi współautor badania, profesor Greg Neely, kierownik Laboratorium Genomiki Funkcjonalnej im. dr. Johna i Anne Chong na Uniwersytecie w Sydney.

„Innowacyjność naszej pracy polega na tym, że ewolucja kierowana działa głównie w komórkach bakteryjnych, podczas gdy PROTEUS może rozwijać cząsteczki w komórkach ssaków”.

System PROTEUS potrafi rozwiązywać problemy o niepewnym rozwiązaniu – podobnie jak użytkownik wprowadza zapytania do platformy sztucznej inteligencji. Na przykład, problem może polegać na tym, jak skutecznie „wyłączyć” gen choroby w organizmie człowieka.

Następnie PROTEUS wykorzystuje ewolucję kierowaną do zbadania milionów możliwych sekwencji, które jeszcze nie istnieją w naturze, i znajduje cząsteczki o właściwościach ściśle dopasowanych do danego problemu. Oznacza to, że PROTEUS może znaleźć rozwiązania, których znalezienie zajęłoby badaczowi lata – o ile w ogóle by się to udało.

Naukowcy poinformowali, że dzięki PROTEUS-owi opracowali ulepszone wersje białek, które są łatwiejsze do regulacji za pomocą leków, a także nanociała (miniwersje przeciwciał), które mogą wykrywać uszkodzenia DNA – istotny proces przyczyniający się do rozwoju raka. Jak jednak podkreślili autorzy, zastosowanie PROTEUS-a nie ogranicza się do tego: może on poprawić funkcjonowanie większości białek i cząsteczek.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications. Badania przeprowadzono w Centrum Charlesa Perkinsa na Uniwersytecie w Sydney we współpracy z naukowcami z Centenary Institute.

Odkrycie uczenia maszynowego na poziomie molekularnym

Oryginalne opracowanie metody ewolucji kierowanej, po raz pierwszy zastosowanej u bakterii, zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2018 roku.

„Wynalezienie ukierunkowanej ewolucji zmieniło bieg biochemii. Teraz, dzięki PROTEUS-owi, możemy zaprogramować komórkę ssaka, aby rozwiązała problem genetyczny, na który nie mamy gotowej odpowiedzi. Jeśli pozwolimy systemowi działać nieprzerwanie, będziemy mogli regularnie monitorować, jak rozwiązuje on problem” – powiedział główny badacz, dr Christopher Denes z Charles Perkins Centre i School of Life and Environmental Sciences.

Największym wyzwaniem, z jakim zmierzyli się Denes i jego zespół, było to, jak uodpornić komórkę ssaków na wielokrotne cykle ewolucji i mutacji, a jednocześnie zachować jej stabilność i zapobiec „oszukiwaniu” systemu poprzez znajdowanie trywialnych rozwiązań, które nie spełniają postawionego zadania.

Naukowcy znaleźli rozwiązanie w postaci chimerycznych cząsteczek wirusopodobnych, czyli konstrukcji składającej się z zewnętrznej powłoki jednego wirusa i genów innego. Taka konstrukcja zapobiegała „oszukiwaniu” systemu.

Projekt łączył elementy dwóch bardzo różnych rodzin wirusów, tworząc „to, co najlepsze z obu światów”. Powstały system pozwalał komórkom przetwarzać wiele różnych możliwych rozwiązań równolegle, przy czym rozwiązania ulepszone zyskiwały przewagę, a te niepoprawne znikały.

„PROTEUS jest stabilny, niezawodny i został przetestowany w niezależnych laboratoriach. Zachęcamy inne grupy badawcze do korzystania z tej metody. Wykorzystując PROTEUS, mamy nadzieję stymulować rozwój nowej generacji enzymów, narzędzi molekularnych i terapii” – powiedział dr Denes.

„Udostępniliśmy ten system społeczności naukowej i z niecierpliwością czekamy na to, jak zostanie wykorzystany. Naszym celem jest udoskonalenie technologii edycji genów i udoskonalenie leków mRNA, aby uzyskać silniejsze i bardziej specyficzne działanie” – dodał profesor Neely.