Mokslininkai sukūrė „biologinio dirbtinio intelekto“ sistemą

Australijos mokslininkai sėkmingai sukūrė tyrimų sistemą, kuri naudoja „biologinį dirbtinį intelektą“ molekulėms su naujomis arba patobulintomis funkcijomis kurti ir vystyti tiesiogiai žinduolių ląstelėse. Tyrėjai teigė, kad ši sistema yra galingas naujas įrankis, galintis padėti mokslininkams kurti specifiškesnius ir veiksmingesnius vaistus ar genų terapijas.

Sistema, vadinama PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection – PROTein evoliucija naudojant atranką), naudoja metodą, vadinamą „kryptine evoliucija“ – laboratorinę techniką, kuri imituoja natūralią evoliucijos jėgą. Tačiau užuot užtrukusi metus ar dešimtmečius, ji pagreitina evoliucijos ir natūralios atrankos ciklus, vos per kelias savaites sukurdama molekules su naujomis funkcijomis.

Tai galėtų turėti tiesioginės įtakos naujų, veiksmingesnių vaistų paieškai. Pavyzdžiui, sistema galėtų būti naudojama genų redagavimo technologijoms, tokioms kaip CRISPR, tobulinti, kad jos būtų veiksmingesnės.

„Tai reiškia, kad PROTEUS gali būti naudojamas kuriant naujas molekules, kurios yra optimizuotos veikti mūsų organizme, ir mes galime sukurti naujus vaistus, kuriuos būtų sunku arba neįmanoma sukurti naudojant dabartines technologijas“, – sako tyrimo bendraautoris profesorius Gregas Neely, Sidnėjaus universiteto Dr. Johno ir Anne Chong funkcinės genomikos laboratorijos vadovas.

„Mūsų darbo naujovė yra ta, kad nukreipta evoliucija daugiausia veikia bakterijų ląstelėse, o PROTEUS gali evoliucionuoti molekules žinduolių ląstelėse.“

PROTEUS sistema gali išspręsti problemas su neaiškiu sprendimu – panašiai kaip vartotojas įveda užklausas į dirbtinio intelekto platformą. Pavyzdžiui, problema gali būti, kaip efektyviai „išjungti“ ligos geną žmogaus organizme.

Tada PROTEUS naudoja nukreiptą evoliuciją, kad ištirtų milijonus galimų sekų, kurių gamtoje dar nėra, ir randa molekules, kurių savybės yra labai pritaikytos problemai. Tai reiškia, kad PROTEUS gali rasti sprendimus, kuriuos žmonėms tyrėjams rasti prireiktų metų – jei jie apskritai galėtų juos rasti.

Mokslininkai pranešė, kad pasitelkę PROTEUS, jie sukūrė patobulintas baltymų versijas, kurias lengviau reguliuoti vaistais, taip pat nanokūnus (antikūnų mini versijas), kurie gali aptikti DNR pažeidimus – svarbų procesą, prisidedantį prie vėžio vystymosi. Tačiau, kaip pabrėžė autoriai, PROTEUS taikymas tuo neapsiriboja: jis gali būti naudojamas daugelio baltymų ir molekulių funkcijai pagerinti.

Rezultatai paskelbti žurnale „Nature Communications“. Tyrimas buvo atliktas Sidnėjaus universiteto Charleso Perkinso centre, bendradarbiaujant su Centenary instituto tyrėjais.

Molekulinio mašininio mokymosi atradimas

Už originalų nukreiptos evoliucijos metodo sukūrimą, pirmą kartą pritaikytą bakterijose, 2018 m. buvo įteikta Nobelio chemijos premija.

„Kryptingos evoliucijos išradimas pakeitė biochemijos eigą. Dabar, naudodamiesi PROTEUS, galime užprogramuoti žinduolių ląstelę išspręsti genetinę problemą, į kurią neturime paruošto atsakymo. Jei leisime sistemai veikti nuolat, galėsime reguliariai stebėti, kaip ji išsprendžia problemą“, – teigė pagrindinis tyrėjas dr. Christopheris Denesas iš Charleso Perkinso centro ir Gyvybės ir aplinkos mokslų mokyklos.

Pagrindinis iššūkis, su kuriuo susidūrė Denesas ir jo komanda, buvo tai, kaip padaryti žinduolių ląstelę atsparią keliems evoliucijos ir mutacijų ciklams, išlaikant jos stabilumą ir užkertant kelią sistemos „sukčiavimui“ ieškant trivialių sprendimų, kurie neatitinka užduoties.

Mokslininkai rado sprendimą – panaudoti chimerines, į virusus panašias daleles – konstrukciją, sudarytą iš vieno viruso išorinio apvalkalo ir kito genų. Ši konstrukcija neleido sistemai „sukčiauti“.

Šis dizainas apjungė dviejų labai skirtingų virusų šeimų elementus, sukurdamas „geriausią iš abiejų pasaulių“. Gauta sistema leido ląstelėms lygiagrečiai apdoroti daug skirtingų galimų sprendimų, patobulintiems sprendimams tampant dominuojančiais, o neteisingiems išnykstant.

„PROTEUS yra stabilus, patikimas ir patvirtintas nepriklausomose laboratorijose. Raginame kitas tyrimų grupes naudoti šį metodą. Naudodami PROTEUS, tikimės paskatinti naujos kartos fermentų, molekulinių įrankių ir terapijos kūrimą“, – teigė dr. Denesas.

„Mes šią sistemą padarėme prieinamą tyrėjų bendruomenei ir nekantraujame pamatyti, kaip ji bus naudojama. Mūsų tikslas – tobulinti genų redagavimo technologijas ir tobulinti mRNR vaistus, kad jie pasiektų stipresnį ir specifiškesnį poveikį“, – pridūrė profesorius Neely.