Вчені створили систему «біологічного штучного інтелекту»

Австралійські вчені успішно розробили дослідницьку систему, яка використовує «біологічний штучний інтелект» для проектування та еволюції молекул з новими або покращеними функціями безпосередньо в клітинах ссавців. Дослідники заявили, що система являє собою потужний новий інструмент, який може допомогти вченим розробити більш специфічні та ефективні дослідницькі препарати або генну терапію.

Система під назвою PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection — еволюція протеїнів за допомогою відбору) використовує метод «спрямованої еволюції» — лабораторну техніку, яка імітує природну силу еволюції. Але замість того, щоб займати роки чи десятиліття, вона прискорює цикли еволюції та природного відбору, створюючи молекули з новими функціями лише за кілька тижнів.

Це може мати прямий вплив на пошук нових, ефективніших ліків. Наприклад, систему можна використовувати для вдосконалення технологій редагування генів, таких як CRISPR, щоб зробити їх більш ефективними.

«Це означає, що PROTEUS можна використовувати для створення нових молекул, оптимізованих для роботи в нашому організмі, і ми можемо створювати нові ліки, які було б важко або неможливо створити за допомогою сучасних технологій», — каже співавтор дослідження, професор Грег Нілі, керівник Лабораторії функціональної геноміки доктора Джона та Анни Чонг в Університеті Сіднея.

«Новизна нашої роботи полягає в тому, що спрямована еволюція працює переважно в бактеріальних клітинах, тоді як PROTEUS може еволюціонувати молекули в клітинах ссавців».

Система PROTEUS може вирішувати проблеми з невизначеним рішенням – подібно до того, як користувач вводить запити в платформу штучного інтелекту. Наприклад, проблема може полягати в тому, як ефективно «вимкнути» ген хвороби в організмі людини.

Потім PROTEUS використовує метод спрямованої еволюції для дослідження мільйонів можливих послідовностей, яких ще немає в природі, та знаходить молекули з властивостями, що дуже точно відповідають поставленій проблемі. Це означає, що PROTEUS може знаходити рішення, на пошук яких досліднику знадобилися б роки — якщо б він взагалі міг їх знайти.

Вчені повідомили, що за допомогою PROTEUS вони розробили вдосконалені версії білків, які легше регулювати за допомогою ліків, а також нанотіла (міні-версії антитіл), які можуть виявляти пошкодження ДНК – важливий процес, що сприяє розвитку раку. Однак, як наголосили автори, застосування PROTEUS цим не обмежується: його можна використовувати для покращення функції більшості білків і молекул.

Результати опубліковані в журналі Nature Communications. Дослідження було проведене в Центрі Чарльза Перкінса при Сіднейському університеті у співпраці з дослідниками з Інституту Centenary.

Відкриття молекулярного машинного навчання

Оригінальна розробка методу спрямованої еволюції, вперше застосована на бактеріях, була удостоєна Нобелівської премії з хімії у 2018 році.

«Винахід спрямованої еволюції змінив хід біохімії. Тепер, за допомогою PROTEUS, ми можемо запрограмувати клітину ссавців на вирішення генетичної проблеми, на яку в нас немає готової відповіді. Якщо ми дозволимо системі працювати безперервно, ми зможемо регулярно стежити за тим, як вона вирішує проблему», — сказав провідний дослідник доктор Крістофер Денес з Центру Чарльза Перкінса та Школи наук про життя та навколишнє середовище.

Головним завданням, з яким зіткнулися Денес та його команда, було те, як зробити клітину ссавців стійкою до численних циклів еволюції та мутацій, зберігаючи при цьому її стабільність та запобігаючи «обману» системи шляхом пошуку тривіальних рішень, які не відповідають поставленому завданню.

Вчені знайшли рішення у використанні химерних вірусоподібних частинок – конструкції, що складається із зовнішньої оболонки одного вірусу та генів іншого. Така конструкція запобігала «обману» системи.

Конструкція поєднала елементи двох дуже різних сімейств вірусів, створивши «найкраще з обох світів». Отримана система дозволила клітинам паралельно обробляти багато різних можливих рішень, причому покращені рішення ставали домінуючими, а неправильні зникали.

«PROTEUS стабільний, надійний та пройшов перевірку в незалежних лабораторіях. Ми заохочуємо інші дослідницькі групи використовувати цей метод. Використовуючи PROTEUS, ми сподіваємося стимулювати розробку нового покоління ферментів, молекулярних інструментів та терапевтичних засобів», – сказав доктор Денес.

«Ми зробили цю систему відкритою для дослідницької спільноти та з нетерпінням чекаємо, як вона буде використовуватися. Наша мета — удосконалити технології редагування генів та вдосконалити препарати на основі мРНК для досягнення більш потужних та специфічних ефектів», — додав професор Нілі.