Vědci vytvořili systém „biologické umělé inteligence“

Australští vědci úspěšně vyvinuli výzkumný systém, který využívá „biologickou umělou inteligenci“ k návrhu a vývoji molekul s novými nebo vylepšenými funkcemi přímo v savčích buňkách. Výzkumníci uvedli, že systém představuje nový mocný nástroj, který by mohl vědcům pomoci vyvinout specifičtější a účinnější výzkumné léky nebo genové terapie.

Systém s názvem PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection – evoluce PROTeinu s využitím výběru) využívá metodu zvanou „řízená evoluce“, laboratorní techniku, která napodobuje přirozenou sílu evoluce. Místo aby to trvalo roky nebo desetiletí, urychluje cykly evoluce a přirozeného výběru a vytváří molekuly s novými funkcemi během pouhých několika týdnů.

To by mohlo mít přímý dopad na hledání nových, účinnějších léků. Systém by například mohl být použit ke zlepšení technologií genové editace, jako je CRISPR, aby byly účinnější.

„To znamená, že PROTEUS lze použít k vytvoření nových molekul, které jsou optimalizovány pro fungování v našem těle, a můžeme vytvářet nové léky, které by bylo obtížné nebo nemožné vytvořit pomocí současné technologie,“ říká spoluautor studie profesor Greg Neely, vedoucí laboratoře funkční genomiky Dr. Johna a Anne Chongových na Univerzitě v Sydney.

„Novost naší práce spočívá v tom, že řízená evoluce funguje hlavně v bakteriálních buňkách, zatímco PROTEUS dokáže vyvíjet molekuly v savčích buňkách.“

Systém PROTEUS dokáže řešit problémy s nejistým řešením – podobně jako uživatel zadává dotazy do platformy umělé inteligence. Problémem může být například to, jak efektivně „vypnout“ gen choroby v těle člověka.

PROTEUS poté pomocí řízené evoluce prozkoumá miliony možných sekvencí, které v přírodě dosud neexistují, a najde molekuly s vlastnostmi, které jsou přesně přizpůsobeny danému problému. To znamená, že PROTEUS dokáže najít řešení, jejichž nalezení by lidskému výzkumníkovi trvalo roky – pokud by je vůbec mohl najít.

Vědci uvedli, že s pomocí proteinu PROTEUS vyvinuli vylepšené verze proteinů, které se snáze regulují léky, a také nanotělíska (miniverze protilátek), která dokáží detekovat poškození DNA, což je důležitý proces přispívající k rozvoji rakoviny. Jak však autoři zdůraznili, aplikace proteinu PROTEUS se tímto neomezuje: lze jej použít ke zlepšení funkce většiny proteinů a molekul.

Výsledky jsou publikovány v časopise Nature Communications. Výzkum byl proveden v Centru Charlese Perkinse na Univerzitě v Sydney ve spolupráci s výzkumníky z Centenary Institute.

Objev molekulárního strojového učení

Původní vývoj metody řízené evoluce, poprvé implementovaný u bakterií, získal v roce 2018 Nobelovu cenu za chemii.

„Vynález řízené evoluce změnil směr biochemie. Nyní s programem PROTEUS můžeme naprogramovat savčí buňku tak, aby vyřešila genetický problém, na který nemáme hotovou odpověď. Pokud necháme systém běžet nepřetržitě, můžeme pravidelně sledovat, jak daný problém řeší,“ řekl vedoucí výzkumník Dr. Christopher Denes z Centra Charlese Perkinse a Školy biologických a environmentálních věd.

Hlavní výzvou, které Denes a jeho tým čelili, bylo, jak vytvořit savčí buňku odolnou vůči vícenásobným cyklům evoluce a mutacím a zároveň zachovat její stabilitu a zabránit systému v „podvádění“ hledáním triviálních řešení, která nesplňují daný úkol.

Vědci našli řešení v použití chimérických částic podobných virům, což je konstrukce sestávající z vnějšího obalu jednoho viru a genů jiného. Tato konstrukce zabránila systému v „podvádění“.

Návrh kombinoval prvky dvou velmi odlišných rodin virů a vytvořil tak „to nejlepší z obou světů“. Výsledný systém umožnil buňkám zpracovávat mnoho různých možných řešení paralelně, přičemž vylepšená řešení se stala dominantními a nesprávná mizela.

„PROTEUS je stabilní, robustní a byl validován v nezávislých laboratořích. Povzbuzujeme další výzkumné skupiny, aby tuto metodu používaly. Doufáme, že použitím PROTEUSu stimulujeme vývoj nové generace enzymů, molekulárních nástrojů a léčiv,“ řekl Dr. Denes.

„Tento systém jsme zpřístupnili výzkumné komunitě a těšíme se, jak bude využíván. Naším cílem je zlepšit technologie genové editace a zdokonalit léky s mRNA pro silnější a specifičtější účinky,“ dodal profesor Neely.