A tudósok létrehoztak egy „biológiai mesterséges intelligencia” rendszert

Ausztrál tudósok sikeresen kifejlesztettek egy olyan kutatási rendszert, amely „biológiai mesterséges intelligenciát” használ új vagy továbbfejlesztett funkciókkal rendelkező molekulák tervezésére és fejlesztésére közvetlenül emlőssejtekben. A kutatók szerint a rendszer egy hatékony új eszközt képvisel, amely segíthet a tudósoknak specifikusabb és hatékonyabb kutatási gyógyszerek vagy génterápiák kifejlesztésében.

A PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection) névre keresztelt rendszer egy „irányított evolúció” nevű laboratóriumi technikát alkalmaz, amely az evolúció természetes erejét utánozza. De ahelyett, hogy éveket vagy évtizedeket venne igénybe, felgyorsítja az evolúció és a természetes szelekció ciklusait, mindössze néhány hét alatt új funkciókkal rendelkező molekulákat hozva létre.

Ez közvetlen hatással lehet az új, hatékonyabb gyógyszerek keresésére. Például a rendszer felhasználható a génszerkesztési technológiák, például a CRISPR fejlesztésére, hogy hatékonyabbá tegyék azokat.

„Ez azt jelenti, hogy a PROTEUS segítségével új molekulákat lehet létrehozni, amelyek optimalizáltak a szervezetünkben való működésre, és olyan új gyógyszereket hozhatunk létre, amelyeket a jelenlegi technológiával nehéz vagy lehetetlen lenne előállítani” – mondja Greg Neely professzor, a tanulmány társszerzője, a Sydney-i Egyetem Dr. John és Anne Chong Funkcionális Genomikai Laboratóriumának vezetője.

„Munkánk újdonsága, hogy az irányított evolúció főként baktériumsejtekben működik, míg a PROTEUS emlőssejtekben képes molekulákat evolúcióra.”

A PROTEUS rendszer képes megoldani a bizonytalan megoldású problémákat – hasonlóan ahhoz, ahogy a felhasználó lekérdezéseket ad meg egy mesterséges intelligencia platformon. A probléma például az lehet, hogyan lehet hatékonyan „kikapcsolni” egy betegséggént egy személy testében.

A PROTEUS ezután irányított evolúciót alkalmaz, hogy több millió olyan lehetséges szekvenciát vizsgáljon, amelyek még nem léteznek a természetben, és olyan molekulákat talál, amelyek tulajdonságai nagymértékben igazodnak a problémához. Ez azt jelenti, hogy a PROTEUS olyan megoldásokat találhat, amelyek megtalálása egy emberi kutatónak évekbe telne – ha egyáltalán megtalálnák őket.

A tudósok arról számoltak be, hogy a PROTEUS segítségével a fehérjék olyan továbbfejlesztett változatait fejlesztették ki, amelyek könnyebben szabályozhatók gyógyszerekkel, valamint nanobody-kat (antitestek mini-változatait), amelyek képesek kimutatni a DNS-károsodást, ami egy fontos folyamat, és hozzájárul a rák kialakulásához. A PROTEUS alkalmazása azonban, ahogy a szerzők hangsúlyozták, nem korlátozódik erre: a legtöbb fehérje és molekula működésének javítására használható.

Az eredményeket a Nature Communications folyóiratban tették közzé. A kutatást a Sydney-i Egyetem Charles Perkins Központjában végezték a Centenary Institute kutatóival együttműködve.

A molekuláris gépi tanulás felfedezése

Az irányított evolúciós módszer eredeti fejlesztését, amelyet először baktériumokon alkalmaztak, 2018-ban kémiai Nobel-díjjal tüntették ki.

„Az irányított evolúció feltalálása megváltoztatta a biokémia menetét. Most a PROTEUS segítségével olyan emlőssejteket programozhatunk, amelyek megoldanak egy olyan genetikai problémát, amelyre nincs kész válaszunk. Ha hagyjuk, hogy a rendszer folyamatosan működjön, rendszeresen figyelemmel kísérhetjük, hogyan oldja meg a problémát” – mondta Dr. Christopher Denes, a Charles Perkins Központ és az Élet- és Környezettudományi Iskola vezető kutatója.

Denes és csapata előtt álló fő kihívás az volt, hogyan tehetnek egy emlőssejtet ellenállóvá az evolúció és a mutációk többszörös ciklusaival szemben, miközben megőrzik stabilitását, és megakadályozzák, hogy a rendszer „csaljon” olyan triviális megoldások találásával, amelyek nem felelnek meg a feladatnak.

A tudósok megoldást találtak kiméra vírusszerű részecskék használatában, egy olyan kialakításban, amely az egyik vírus külső héjából és a másik génjeiből áll. Ez a kialakítás megakadályozta a rendszer „csalását”.

A terv két nagyon különböző víruscsalád elemeit ötvözte, létrehozva a „mindkét világ legjavát”. Az így létrejövő rendszer lehetővé tette a sejtek számára, hogy párhuzamosan számos különböző lehetséges megoldást dolgozzanak fel, a továbbfejlesztett megoldások váljanak dominánssá, a helytelenek pedig eltűnjenek.

„A PROTEUS stabil, robusztus és független laboratóriumokban validálták. Más kutatócsoportokat is arra biztatunk, hogy alkalmazzák ezt a módszert. A PROTEUS használatával reméljük, hogy ösztönözhetjük az enzimek, molekuláris eszközök és terápiák új generációjának fejlesztését” – mondta Dr. Denes.

„Megnyitottuk ezt a rendszert a kutatói közösség számára, és izgatottan várjuk, hogyan fogják használni. Célunk a génszerkesztési technológiák fejlesztése és az mRNS-gyógyszerek finomítása a hatékonyabb és specifikusabb hatások érdekében” – tette hozzá Neely professzor.