Znanstvenici su stvorili sustav "biološke umjetne inteligencije"

Australski znanstvenici uspješno su razvili istraživački sustav koji koristi „biološko umjetnu inteligenciju“ za dizajniranje i evoluciju molekula s novim ili poboljšanim funkcijama izravno u stanicama sisavaca. Istraživači su rekli da sustav predstavlja snažan novi alat koji bi mogao pomoći znanstvenicima u razvoju specifičnijih i učinkovitijih istraživačkih lijekova ili genskih terapija.

Sustav, nazvan PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection - evolucija PROTeina pomoću selekcije), koristi metodu nazvanu "usmjerena evolucija", laboratorijsku tehniku koja oponaša prirodnu silu evolucije. Ali umjesto da traje godinama ili desetljećima, ubrzava cikluse evolucije i prirodne selekcije, stvarajući molekule s novim funkcijama u samo nekoliko tjedana.

To bi moglo imati izravan utjecaj na potragu za novim, učinkovitijim lijekovima. Na primjer, sustav bi se mogao koristiti za poboljšanje tehnologija uređivanja gena poput CRISPR-a kako bi postale učinkovitije.

„To znači da se PROTEUS može koristiti za stvaranje novih molekula optimiziranih za djelovanje u našim tijelima, a možemo stvoriti i nove lijekove koje bi bilo teško ili nemoguće stvoriti korištenjem trenutne tehnologije“, kaže koautor studije profesor Greg Neely, voditelj Laboratorija za funkcionalnu genomiku dr. Johna i Anne Chong na Sveučilištu u Sydneyu.

„Novost našeg rada je da usmjerena evolucija uglavnom funkcionira u bakterijskim stanicama, dok PROTEUS može razvijati molekule u stanicama sisavaca.“

PROTEUS sustav može rješavati probleme s neizvjesnim rješenjem - slično kao što korisnik unosi upite u platformu umjetne inteligencije. Na primjer, problem može biti kako učinkovito "isključiti" gen bolesti u tijelu osobe.

PROTEUS zatim koristi usmjerenu evoluciju kako bi istražio milijune mogućih sekvenci koje još ne postoje u prirodi i pronalazi molekule sa svojstvima koja su usko prilagođena problemu. To znači da PROTEUS može pronaći rješenja za koja bi ljudskom istraživaču trebale godine - ako bi ih uopće mogli pronaći.

Znanstvenici su izvijestili da su uz pomoć PROTEUS-a razvili poboljšane verzije proteina koje je lakše regulirati lijekovima, kao i nanotijela (mini-verzije antitijela) koja mogu otkriti oštećenje DNK, važan proces koji doprinosi razvoju raka. Međutim, kako su autori naglasili, primjena PROTEUS-a nije ograničena samo na to: može se koristiti za poboljšanje funkcije većine proteina i molekula.

Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Communications. Istraživanje je provedeno u Centru Charlesa Perkinsa Sveučilišta u Sydneyu u suradnji s istraživačima iz Centenary Instituta.

Otkriće molekularnog strojnog učenja

Izvorni razvoj metode usmjerene evolucije, prvi put primijenjene na bakterijama, dobio je Nobelovu nagradu za kemiju 2018. godine.

„Izum usmjerene evolucije promijenio je tijek biokemije. Sada, s PROTEUS-om, možemo programirati stanicu sisavca da riješi genetski problem za koji nemamo spreman odgovor. Ako pustimo sustav da radi kontinuirano, možemo redovito pratiti kako rješava problem“, rekao je glavni istraživač dr. Christopher Denes iz Centra Charles Perkins i Škole za život i znanosti o okolišu.

Glavni izazov s kojim su se Denes i njegov tim suočili bio je kako učiniti stanicu sisavca otpornom na više ciklusa evolucije i mutacija, a istovremeno održati njezinu stabilnost i spriječiti sustav da "vara" pronalaženjem trivijalnih rješenja koja ne zadovoljavaju postavljeni zadatak.

Znanstvenici su pronašli rješenje u korištenju himernih čestica sličnih virusima, dizajna koji se sastoji od vanjske ljuske jednog virusa i gena drugog. Ovaj dizajn spriječio je sustav da "vara".

Dizajn je kombinirao elemente dviju vrlo različitih obitelji virusa, stvarajući „najbolje iz oba svijeta“. Rezultirajući sustav omogućio je stanicama da paralelno obrađuju mnoga različita moguća rješenja, pri čemu su poboljšana rješenja postajala dominantna, a netočna nestajala.

„PROTEUS je stabilan, robustan i validiran je u neovisnim laboratorijima. Potičemo i druge istraživačke skupine da koriste ovu metodu. Korištenjem PROTEUS-a nadamo se da ćemo potaknuti razvoj nove generacije enzima, molekularnih alata i terapija“, rekao je dr. Denes.

„Ovaj smo sustav učinili otvorenim za istraživačku zajednicu i veselimo se vidjeti kako će se koristiti. Naš je cilj poboljšati tehnologije uređivanja gena i usavršiti lijekove mRNA za potentnije i specifičnije učinke“, dodao je profesor Neely.