Vedci vytvorili systém „biologickej umelej inteligencie“

Austrálski vedci úspešne vyvinuli výskumný systém, ktorý využíva „biologickú umelú inteligenciu“ na navrhovanie a vývoj molekúl s novými alebo vylepšenými funkciami priamo v bunkách cicavcov. Výskumníci uviedli, že systém predstavuje nový silný nástroj, ktorý by mohol pomôcť vedcom vyvinúť špecifickejšie a účinnejšie výskumné lieky alebo génové terapie.

Systém s názvom PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection – evolúcia PROTeínu pomocou výberu) využíva metódu nazývanú „riadená evolúcia“, laboratórnu techniku, ktorá napodobňuje prirodzenú silu evolúcie. Namiesto toho, aby to trvalo roky alebo desaťročia, však zrýchľuje cykly evolúcie a prirodzeného výberu a vytvára molekuly s novými funkciami už v priebehu niekoľkých týždňov.

To by mohlo mať priamy vplyv na hľadanie nových, účinnejších liekov. Systém by sa napríklad mohol použiť na zlepšenie technológií génovej úpravy, ako je CRISPR, aby boli účinnejšie.

„To znamená, že PROTEUS sa dá použiť na generovanie nových molekúl, ktoré sú optimalizované pre fungovanie v našom tele, a môžeme vytvoriť nové lieky, ktoré by bolo ťažké alebo nemožné vytvoriť pomocou súčasnej technológie,“ hovorí spoluautor štúdie profesor Greg Neely, vedúci Laboratória funkčnej genomiky Dr. Johna a Anne Chongovej na Univerzite v Sydney.

„Novinkou našej práce je, že riadená evolúcia funguje hlavne v bakteriálnych bunkách, zatiaľ čo PROTEUS dokáže vyvinúť molekuly v bunkách cicavcov.“

Systém PROTEUS dokáže riešiť problémy s neistým riešením – podobne ako používateľ zadáva dopyty do platformy umelej inteligencie. Problémom môže byť napríklad to, ako efektívne „vypnúť“ chorobný gén v tele človeka.

PROTEUS potom pomocou riadenej evolúcie preskúma milióny možných sekvencií, ktoré v prírode ešte neexistujú, a nájde molekuly s vlastnosťami, ktoré sú vysoko prispôsobené danému problému. To znamená, že PROTEUS dokáže nájsť riešenia, ktorých hľadanie by ľudskému výskumníkovi trvalo roky – ak by ich vôbec dokázal nájsť.

Vedci uviedli, že s pomocou PROTEUS vyvinuli vylepšené verzie proteínov, ktoré sa ľahšie regulujú liekmi, ako aj nanotelieska (miniverzie protilátok), ktoré dokážu detegovať poškodenie DNA, čo je dôležitý proces prispievajúci k rozvoju rakoviny. Ako však autori zdôraznili, aplikácia PROTEUS sa neobmedzuje len na toto: možno ho použiť na zlepšenie funkcie väčšiny proteínov a molekúl.

Výsledky sú publikované v časopise Nature Communications. Výskum sa uskutočnil v Centre Charlesa Perkinsa na Univerzite v Sydney v spolupráci s výskumníkmi z Centenary Institute.

Objav molekulárneho strojového učenia

Pôvodný vývoj metódy riadenej evolúcie, prvýkrát implementovanej u baktérií, získal v roku 2018 Nobelovu cenu za chémiu.

„Vynález riadenej evolúcie zmenil smerovanie biochémie. Teraz s PROTEUS môžeme naprogramovať cicavčiu bunku tak, aby vyriešila genetický problém, na ktorý nemáme hotovú odpoveď. Ak necháme systém bežať nepretržite, môžeme pravidelne monitorovať, ako problém rieši,“ povedal vedúci výskumník Dr. Christopher Denes z Centra Charlesa Perkinsa a Školy biologických a environmentálnych vied.

Hlavnou výzvou, ktorej Denes a jeho tím čelili, bolo, ako urobiť cicavčiu bunku odolnou voči viacerým cyklom evolúcie a mutácií a zároveň zachovať jej stabilitu a zabrániť systému v „podvádzaní“ hľadaním triviálnych riešení, ktoré nespĺňajú danú úlohu.

Vedci našli riešenie v použití chimérických častíc podobných vírusu, čo je dizajn pozostávajúci z vonkajšieho obalu jedného vírusu a génov iného. Tento dizajn zabránil systému v „podvádzaní“.

Návrh kombinoval prvky dvoch veľmi odlišných čeľadí vírusov, čím vytvoril „to najlepšie z oboch svetov“. Výsledný systém umožnil bunkám spracovať mnoho rôznych možných riešení paralelne, pričom vylepšené riešenia sa stali dominantnými a nesprávne mizli.

„PROTEUS je stabilný, robustný a bol validovaný v nezávislých laboratóriách. Povzbudzujeme ďalšie výskumné skupiny, aby túto metódu používali. Dúfame, že použitím PROTEUSu stimulujeme vývoj novej generácie enzýmov, molekulárnych nástrojov a terapeutík,“ povedal Dr. Denes.

„Tento systém sme sprístupnili výskumnej komunite a tešíme sa, ako sa bude používať. Naším cieľom je zlepšiť technológie génovej úpravy a zdokonaliť lieky s mRNA pre silnejšie a špecifickejšie účinky,“ dodal profesor Neely.