إنزيم DISCO يكسر حاجز تصميم الإنزيمات، ويخلق بروتينات لا مثيل لها في الطبيعة
في سطور
يقوم نموذج الذكاء الاصطناعي الجديد DISCO، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ومعهد ميلا (Mila)، بتصميم إنزيمات وظيفية لتفاعلات لم يسبق لها مثيل في علم الأحياء - متفوقًا على سنوات من التطور المختبري في خطوة حسابية واحدة.
فريق من الباحثين من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك)، معهد كيبيك للذكاء الاصطناعي قدّمت ميلا، بالتعاون مع العديد من المؤسسات الأكاديمية الرائدة، نظام ذكاء اصطناعي جديداً قادراً على تصميم إنزيمات جديدة كلياً لتفاعلات كيميائية غير موجودة في الطبيعة. ويُنظر إلى هذا التطور على أنه نقطة تحول محتملة في مجالات مثل اكتشاف الأدوية، والكيمياء الصناعية، وعلم الأحياء التركيبي، حيث كان التقدم فيها تاريخياً مقيداً بحدود التطور الطبيعي.
النظام المسمى DISCO — اختصارًا لـ DIffusion for Sequence-structure CO-design — مصمم لتوليد كل من تسلسل الأحماض الأمينية والبنية ثلاثية الأبعاد للبروتين في آن واحد. على عكس الطرق التقليدية، لا يتطلب ذلك تحضيرًا مسبقًاdefiلا توجد افتراضات مسبقة حول الآليات التحفيزية أو تكوينات الموقع النشط. بدلاً من ذلك، يتم تزويدها فقط بجزيء مستهدف، وتقوم بشكل مستقل ببناء نموذج بروتيني قادر على التفاعل معه.
يمتد الجهد البحثي ليشمل مؤسسات متعددة، بما في ذلك معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك)، ومعهد ميلا، وجامعة مونتريال، وجامعة ماكجيل، وجامعة كامبريدج، وأكسفورد، وكلية إمبريال كوليدج لندن، ويضم الحائزة على جائزة نوبل فرانسيس أرنولد بين مؤلفيها المراسلين، مما يعكس ارتباط المشروع القوي بأبحاث هندسة الإنزيمات الراسخة.
المشكلة في كيفية تصميم الإنزيمات حتى الآن
لطالما كان تصميم الإنزيمات محدودًا بقيود التطور الطبيعي والمنهجيات الحسابية. فبينما أنتج التطور البيولوجي محفزات عالية الكفاءة، إلا أنه لم يستكشف سوى مجموعة فرعية ضيقة نسبيًا من التحولات الكيميائية الممكنة. ولا تزال العديد من التفاعلات ذات القيمة العالية للتطبيقات الصناعية أو الصيدلانية غائبة عن علم الأحياء ببساطة لأنها لم تُنتقى في البيئات الطبيعية.
واجهت الأساليب الحسابية التقليدية أيضًا قيودًا هيكلية. أحد القيود الرئيسية هو شرط أن defiلا يمكن تحديد ترتيبات البقايا التحفيزية مسبقًا، مما يفترض معرفة تفصيلية بالآلية، وهي معرفة غالبًا ما تكون غير متوفرة للتفاعلات الجديدة. ومن القيود الأخرى فصل تصميم البروتين إلى خطوات متسلسلة، حيث يتم التعامل مع التسلسل والبنية بشكل منفصل. قد يؤدي هذا الفصل إلى فقدان المعلومات، لأن الوظيفة الإنزيمية تعتمد على العلاقة التكاملية بينهما.
صُمم نظام DISCO للتغلب على هذه القيود من خلال نمذجة التسلسل والبنية معًا ضمن إطار موحد. يُولّد النظام تسلسلات الأحماض الأمينية والإحداثيات الذرية معًا في عملية واحدة، مما يسمح بظهور العلاقات البنيوية والوظيفية أثناء عملية التوليد بدلًا من فرضها مسبقًا. يُمكّن هذا النهج النظام من اقتراح إنزيمات لأهداف كيميائية محددة دون الاعتماد على مخططات تحفيزية مُصممة مسبقًا أو على تدخل بشري.defiالمواقع النشطة المطلوبة.
نتائج المختبر التي تفوقت على سنوات من التطور الموجه
ركز التحقق التجريبي من DISCO على كيمياء نقل الكاربين، وهي فئة من التفاعلات التي لا تحدث في الأنظمة البيولوجية المعروفة ولكنها ذات صلة كبيرة بالكيمياء التركيبية الحديثة، وخاصة في تركيب الأدوية.
من بين ما يقارب 20,000 إنزيم مرشح تم توليدها حاسوبياً، تم اختيار 90 إنزيماً لإجراء اختبارات معملية عليها عبر أربعة أنواع من التفاعلات. وأظهرت النتائج أداءً قوياً مقارنةً بالإنزيمات المتطورة طبيعياً والأنظمة الاصطناعية المصممة سابقاً.
في تفاعل سيكلوبروبان قياسي، حقق الإنزيم المصمم بتقنية DISCO ذو الأداء الأعلى 4,050 دورة تحفيزية بنسبة 72%، متجاوزًا بذلك كلًا من متغيرات السيتوكروم P450 المُهندسة سابقًا وتصاميم الإنزيمات الحاسوبية المنشورة سابقًا والتي اعتمدت على قوالب تحفيزية مُهيكلة. في تفاعل تكوين رابطة كربون-بورون، تجاوز تصميم DISCO واحد غير مُحسَّن مستويات الأداء التي كانت تتطلب سابقًا جولات متعددة من التطوير المُوجَّه، محققًا زيادة كبيرة عن النشاط الأساسي. في تفاعل إدخال كربون-هيدروجين، حقق النظام نتائج مماثلة لتلك التي كانت تتطلب سابقًا دورات عديدة من التطوير المختبري، ولكنه حققها في خطوة حسابية واحدة.
إلى جانب الأداء التحفيزي، أظهرت التصاميم أيضًا ابتكارًا بنيويًا. عند مقارنتها بقواعد بيانات بنية البروتينات واسعة النطاق، أظهرت العديد من الأنماط المُولَّدة تشابهًا ضئيلًا أو معدومًا مع البروتينات الطبيعية المعروفة. ويبدو أن أحد أكثر التصاميم فعالية مُشتق من بروتين غير تحفيزي يرتبط بالحمض النووي، موجود في كائن حي مُحِب للظروف القاسية، على الرغم من محدودية تشابه تسلسله وعدم وجود وظيفة إنزيمية معروفة له. وقد اختلف شكل الموقع النشط الناتج اختلافًا كبيرًا عن القوالب البيولوجية المعروفة، مما يشير إلى أن النظام قادر على إعادة توظيف طيات البروتينات الموجودة لأغراض كيميائية جديدة تمامًا.
أظهرت الإنزيمات المُهندسة قدرةً على التكيف مع الطفرات. وفي تجارب لاحقة، أنتجت الطفرات العشوائية العديد من المتغيرات المحسّنة، وفي بعض الحالات غيّرت النتائج الكيميائية الفراغية، مما يشير إلى أن البنى المُولّدة تحتفظ بمرونة تطورية. تُعتبر هذه الخاصية أساسيةً للتطبيق العملي طويل الأمد، إذ تسمح بمزيد من التحسين باستخدام الطرق المختبرية التقليدية.
تشير النتائج إلى تحول في منهجية تصميم الإنزيمات، من الاعتماد على الفرضيات التحفيزية المبنية يدويًا إلى أنظمة توليدية قادرة على إنتاج نقاط انطلاق وظيفية لمزيد من التطور. وبينما لا تزال الآثار الأوسع نطاقًا بحاجة إلى التحقق الكامل، يُسلط هذا العمل الضوء على إمكانية متنامية لإمكانية الوصول إلى مناطق غير مستكشفة سابقًا في الفضاء الكيميائي باستخدام الحوسبة.
إخلاء مسؤولية
تتماشى مع المبادئ التوجيهية لمشروع الثقةيرجى ملاحظة أن المعلومات المقدمة في هذه الصفحة ليس المقصود منها ولا ينبغي تفسيرها على أنها نصيحة قانونية أو ضريبية أو استثمارية أو مالية أو أي شكل آخر من أشكال المشورة. من المهم أن تستثمر فقط ما يمكنك تحمل خسارته وأن تطلب مشورة مالية مستقلة إذا كانت لديك أي شكوك. لمزيد من المعلومات، نقترح الرجوع إلى الشروط والأحكام بالإضافة إلى صفحات المساعدة والدعم المقدمة من جهة الإصدار أو المعلن. MetaversePost تلتزم بتقارير دقيقة وغير متحيزة، ولكن ظروف السوق عرضة للتغيير دون إشعار.
نبذة عن الكاتب
أليسا، صحفية متخصصة في MPost، متخصص في العملات المشفرة والذكاء الاصطناعي والاستثمارات ومجال واسع من Web3. مع اهتمامها الشديد بالاتجاهات والتقنيات الناشئة، فإنها تقدم تغطية شاملة لإعلام القراء وإشراكهم في المشهد المتطور باستمرار للتمويل الرقمي.
المزيد من المقالات
أليسا، صحفية متخصصة في MPost، متخصص في العملات المشفرة والذكاء الاصطناعي والاستثمارات ومجال واسع من Web3. مع اهتمامها الشديد بالاتجاهات والتقنيات الناشئة، فإنها تقدم تغطية شاملة لإعلام القراء وإشراكهم في المشهد المتطور باستمرار للتمويل الرقمي.
