Учени са създали система за „биологичен изкуствен интелект“

Австралийски учени успешно разработиха изследователска система, която използва „биологичен изкуствен интелект“, за да проектира и развива молекули с нови или подобрени функции директно в клетки на бозайници. Изследователите заявиха, че системата представлява мощен нов инструмент, който би могъл да помогне на учените да разработят по-специфични и ефективни изследователски лекарства или генни терапии.

Системата, наречена PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection - ПРОТенова еволюция чрез селекция), използва метод, наречен „насочена еволюция“ - лабораторна техника, която имитира естествената сила на еволюцията. Но вместо да отнема години или десетилетия, тя ускорява циклите на еволюция и естествен подбор, създавайки молекули с нови функции само за няколко седмици.

Това би могло да окаже пряко въздействие върху търсенето на нови, по-ефективни лекарства. Например, системата би могла да се използва за подобряване на технологиите за генно редактиране, като например CRISPR, за да станат по-ефективни.

„Това означава, че PROTEUS може да се използва за генериране на нови молекули, оптимизирани да работят в телата ни, и можем да създаваме нови лекарства, които биха били трудни или невъзможни за създаване с помощта на настоящите технологии“, казва съавторът на изследването професор Грег Нийли, ръководител на Лабораторията по функционална геномика „Д-р Джон и Ан Чонг“ в Университета в Сидни.

„Новостта на нашата работа е, че насочената еволюция работи главно в бактериални клетки, докато PROTEUS може да еволюира молекули в клетки на бозайници.“

Системата PROTEUS може да решава проблеми с несигурно решение - подобно на начина, по който потребител въвежда заявки в платформа с изкуствен интелект. Например, проблемът може да бъде как ефективно да се „изключи“ болестен ген в тялото на човек.

След това PROTEUS използва насочена еволюция, за да изследва милиони възможни последователности, които все още не съществуват в природата, и открива молекули със свойства, които са тясно свързани с проблема. Това означава, че PROTEUS може да намери решения, които биха отнели на човешки изследовател години, за да ги намери - ако изобщо успее да ги намери.

Учените съобщиха, че с помощта на PROTEUS са разработили подобрени версии на протеини, които са по-лесни за регулиране с лекарства, както и нанотела (мини-версии на антитела), които могат да откриват увреждане на ДНК, важен процес, който допринася за развитието на рак. Както обаче подчертават авторите, приложението на PROTEUS не се ограничава само до това: той може да се използва за подобряване на функцията на повечето протеини и молекули.

Резултатите са публикувани в Nature Communications. Изследването е проведено в Центъра „Чарлз Пъркинс“ към Университета в Сидни в сътрудничество с изследователи от Института „Сентенари“.

Откритието на молекулярното машинно обучение

Оригиналното развитие на метода на насочената еволюция, приложено за първи път при бактерии, бе удостоено с Нобелова награда за химия през 2018 г.

„Изобретението на насочената еволюция промени хода на биохимията. Сега, с PROTEUS, можем да програмираме клетка на бозайник да реши генетичен проблем, за който нямаме готов отговор. Ако оставим системата да работи непрекъснато, можем да наблюдаваме как тя решава проблема редовно“, каза водещият изследовател д-р Кристофър Денес от Центъра „Чарлз Пъркинс“ и Училището по науки за живота и околната среда.

Основното предизвикателство, пред което са се изправили Денес и екипът му, е как да направят клетка на бозайник устойчива на множество цикли на еволюция и мутации, като същевременно запазят нейната стабилност и предотвратят „измамата“ на системата чрез намиране на тривиални решения, които не отговарят на поставената задача.

Учените открили решение чрез използването на химерни вирусоподобни частици – дизайн, състоящ се от външната обвивка на един вирус и гените на друг. Този дизайн предотвратил „измамата“ на системата.

Дизайнът комбинира елементи от две много различни семейства вируси, създавайки „най-доброто от двата свята“. Получената система позволява на клетките да обработват много различни възможни решения паралелно, като подобрените решения стават доминиращи, а неправилните изчезват.

„PROTEUS е стабилен, надежден и е валидиран в независими лаборатории. Насърчаваме други изследователски групи да използват този метод. Чрез използването на PROTEUS се надяваме да стимулираме разработването на ново поколение ензими, молекулярни инструменти и терапевтични средства“, каза д-р Денес.

„Направихме тази система отворена за изследователската общност и очакваме с нетърпение да видим как ще се използва. Нашата цел е да подобрим технологиите за редактиране на гени и да усъвършенстваме лекарствата с мРНК за по-мощни и специфични ефекти“, добави професор Нийли.