Oamenii de știință au creat un sistem de „inteligență artificială biologică”

Oamenii de știință australieni au dezvoltat cu succes un sistem de cercetare care folosește „inteligența artificială biologică” pentru a proiecta și dezvolta molecule cu funcții noi sau îmbunătățite direct în celulele mamiferelor. Cercetătorii au declarat că sistemul reprezintă un instrument nou și puternic, care ar putea ajuta oamenii de știință să dezvolte medicamente de cercetare sau terapii genice mai specifice și mai eficiente.

Sistemul, numit PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection - Evoluția PROTein prin Selecție), folosește o metodă numită „evoluție dirijată”, o tehnică de laborator care imită forța naturală a evoluției. Dar, în loc să dureze ani sau decenii, accelerează ciclurile evoluției și selecției naturale, creând molecule cu funcții noi în doar câteva săptămâni.

Acest lucru ar putea avea un impact direct asupra căutării de medicamente noi, mai eficiente. De exemplu, sistemul ar putea fi utilizat pentru a îmbunătăți tehnologiile de editare genetică, cum ar fi CRISPR, pentru a le face mai eficiente.

„Aceasta înseamnă că PROTEUS poate fi utilizat pentru a genera noi molecule optimizate pentru a funcționa în organismele noastre și putem crea noi medicamente care ar fi dificil sau imposibil de creat folosind tehnologia actuală”, spune co-autorul studiului, profesorul Greg Neely, șeful Laboratorului de Genomică Funcțională Dr. John și Anne Chong de la Universitatea din Sydney.

„Noutatea lucrării noastre constă în faptul că evoluția dirijată funcționează în principal în celulele bacteriene, în timp ce PROTEUS poate dezvolta molecule în celulele mamiferelor.”

Sistemul PROTEUS poate rezolva probleme cu o soluție incertă - similar modului în care un utilizator introduce interogări într-o platformă de inteligență artificială. De exemplu, problema ar putea fi cum să „dezactivezi” eficient o genă a unei boli în corpul unei persoane.

PROTEUS folosește apoi evoluția dirijată pentru a explora milioane de secvențe posibile care nu există încă în natură și găsește molecule cu proprietăți extrem de adaptate la problemă. Aceasta înseamnă că PROTEUS poate găsi soluții pe care un cercetător uman le-ar găsi în ani de zile - dacă ar putea să le găsească vreodată.

Oamenii de știință au raportat că, cu ajutorul PROTEUS, au dezvoltat versiuni îmbunătățite ale unor proteine care sunt mai ușor de reglat cu ajutorul medicamentelor, precum și nanocorpuri (mini-versiuni ale anticorpilor) care pot detecta deteriorarea ADN-ului, un proces important care contribuie la dezvoltarea cancerului. Cu toate acestea, așa cum au subliniat autorii, aplicarea PROTEUS nu se limitează la aceasta: poate fi utilizată pentru a îmbunătăți funcția majorității proteinelor și moleculelor.

Rezultatele sunt publicate în Nature Communications. Cercetarea a fost efectuată la Centrul Charles Perkins din cadrul Universității din Sydney, în colaborare cu cercetători de la Institutul Centenary.

Descoperirea învățării automate moleculare

Dezvoltarea originală a metodei evoluției dirijate, implementată pentru prima dată la bacterii, a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Chimie în 2018.

„Invenția evoluției dirijate a schimbat cursul biochimiei. Acum, cu PROTEUS, putem programa o celulă de mamifer să rezolve o problemă genetică pentru care nu avem un răspuns gata pregătit. Dacă lăsăm sistemul să funcționeze continuu, putem monitoriza modul în care rezolvă problema în mod regulat”, a declarat cercetătorul principal, Dr. Christopher Denes, de la Centrul Charles Perkins și de la Școala de Științe ale Vieții și Mediului.

Principala provocare cu care s-au confruntat Denes și echipa sa a fost cum să facă o celulă de mamifer rezistentă la multiple cicluri de evoluție și mutații, menținându-i în același timp stabilitatea și împiedicând sistemul să „trișeze” prin găsirea unor soluții banale care nu îndeplinesc sarcina propusă.

Oamenii de știință au găsit o soluție prin utilizarea particulelor himerice asemănătoare virusurilor, un design format din învelișul exterior al unui virus și genele altuia. Acest design a împiedicat sistemul să „trișeze”.

Designul a combinat elemente a două familii de virusuri foarte diferite, creând „ce e mai bun din ambele lumi”. Sistemul rezultat a permis celulelor să proceseze în paralel multe soluții posibile diferite, soluțiile îmbunătățite devenind dominante, iar cele incorecte dispărând.

„PROTEUS este stabil, robust și a fost validat în laboratoare independente. Încurajăm alte grupuri de cercetare să utilizeze această metodă. Prin utilizarea PROTEUS, sperăm să stimulăm dezvoltarea unei noi generații de enzime, instrumente moleculare și terapii”, a declarat Dr. Denes.

„Am pus acest sistem la dispoziția comunității de cercetare și așteptăm cu nerăbdare să vedem cum va fi utilizat. Scopul nostru este de a îmbunătăți tehnologiile de editare genetică și de a rafina medicamentele ARNm pentru efecte mai puternice și mai specifice”, a adăugat profesorul Neely.