ИИ-метод используется для создания искусственных белков
|
Дизайн белков направлен на создание индивидуальных антител для терапии, биосенсоров для диагностики или ферментов для химических реакций. Международная исследовательская группа разработала метод создания новых крупных белков, более совершенных, чем раньше, и получения их с желаемыми свойствами в лабораторных условиях. Их подход предполагает новый способ использования возможностей программного обеспечения на базе искусственного интеллекта Alphafold2, за которое в 2024 году была присуждена Нобелевская премия по химии. |
Являясь строительными блоками, транспортными системами, ферментами или антителами, белки играют жизненно важную роль в нашем организме. Поэтому исследователи пытаются воссоздать их или создать так называемые новые белки, которые не встречаются в природе. Такие искусственные белки предназначены, например, для связывания с определенными вирусами или транспортировки лекарств. Ученые все чаще используют машинное обучение для их разработки. |
Недавно достижения в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии: в этом году Нобелевская премия была присуждена Дэвиду Бейкеру, пионеру разработки белка de novo, и разработчикам программного обеспечения Alphafold2 Демису Хассабису и Джону Джамперу. Это программное обеспечение позволяет с высокой точностью предсказывать белковые структуры на компьютере. |
Международная команда под руководством Хендрика Дитца, профессора биомолекулярной нанотехнологии Мюнхенского технического университета (TUM), и Сергея Овчинникова, профессора биологии Массачусетского технологического института, разработала метод, который использует точное предсказание структуры Alphafold2 в сочетании с так называемым методом градиентного спуска для эффективного проектирования белков. Их исследование опубликовано в журнале Science. |
Градиентный спуск - распространенный метод оптимизации модели. В пошаговом процессе его можно использовать для выявления отклонений от желаемой целевой функции и корректировки параметров до тех пор, пока не будет достигнут оптимальный результат. |
При проектировании белков градиентный спуск может быть использован для сравнения структуры новых белков, предсказанной AlphaFold2, с желаемой структурой белка. Это позволяет ученым дополнительно оптимизировать недавно разработанную аминокислотную цепочку и полученную структуру. Последнее в значительной степени определяет стабильность и функционирование белка и зависит от тонких энергетических взаимодействий. |
Виртуальное наложение строительных блоков |
Новый метод позволяет создавать новые белки больших размеров лучше, чем раньше, и придавать им желаемые свойства, например, точно связываться с другими белками. Процесс их создания отличается от предыдущих подходов несколькими аспектами. |
"Мы разработали технологический процесс для новых белков таким образом, что изначально не обращаем внимания на пределы физических возможностей. Обычно в каждой точке аминокислотной цепочки используется только один из 20 возможных строительных блоков. Вместо этого мы используем вариант, в котором все возможности практически совмещены", - говорит Кристофер Франк, докторант кафедры биомолекулярных нанотехнологий и первый автор исследования. |
Эта виртуальная суперпозиция не может быть напрямую преобразована в реально производимый белок. Но она позволяет многократно оптимизировать белок. "Мы улучшаем расположение аминокислот в течение нескольких итераций, пока новый белок не будет максимально приближен к желаемой структуре", - говорит Фрэнк. Затем эта оптимизированная структура используется для определения аминокислотной последовательности, которая может быть собрана в белок в лабораторных условиях. |
Главный тест: насколько предсказания оправдываются в реальной жизни? |
Окончательный тест для всех вновь разработанных белков: соответствует ли фактическая структура прогнозируемой конструкции и желаемой функции? Используя новый метод, команда разработала более 100 белков виртуально, произвела их в лаборатории и протестировала экспериментально. "Мы смогли показать, что конструкции, которые мы спроектировали, очень близки к тем, которые на самом деле производятся", - говорит Фрэнк. |
Используя свой новый метод, они смогли получить белки, состоящие из 1000 аминокислот. "Это приближает нас к размеру антител, и, как и в случае с антителами, мы можем интегрировать в такой белок несколько желаемых функций", — объясняет Дитц. - Это могут быть, например, мотивы для распознавания и подавления патогенных микроорганизмов". |
Источник |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|