Η DISCO σπάει το φράγμα του σχεδιασμού ενζύμων, δημιουργώντας πρωτεΐνες χωρίς ισοδύναμο στη φύση
Εν συντομία
Το DISCO, ένα νέο μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης από τις Caltech και Mila, σχεδιάζει λειτουργικά ένζυμα για αντιδράσεις που δεν έχουν ξαναδεί στη βιολογία — ξεπερνώντας σε απόδοση χρόνια εργαστηριακής εξέλιξης σε ένα μόνο υπολογιστικό βήμα.
Μια ομάδα ερευνητών από Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Κάλτεκ), Ινστιτούτο Τεχνητής Νοημοσύνης του Κεμπέκ Η Μίλα, και πολλά κορυφαία ακαδημαϊκά ιδρύματα, εισήγαγαν ένα νέο σύστημα Τεχνητής Νοημοσύνης ικανό να σχεδιάζει εντελώς νέα ένζυμα για χημικές αντιδράσεις που δεν υπάρχουν στη φύση. Η εξέλιξη αυτή θεωρείται ως πιθανό σημείο καμπής για τομείς όπως η ανακάλυψη φαρμάκων, η βιομηχανική χημεία και η συνθετική βιολογία, όπου η πρόοδος ιστορικά περιορίζεται από τα όρια της φυσικής εξέλιξης.
Το σύστημα, με όνομα ΝΤΙΣΚΟ — συντομογραφία του DIffusion για Sequence-structure CO-design — έχει σχεδιαστεί για να παράγει ταυτόχρονα τόσο την αλληλουχία αμινοξέων όσο και την τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους, δεν απαιτεί προ-defiυποθέσεις σχετικά με τους καταλυτικούς μηχανισμούς ή τις διαμορφώσεις της ενεργού θέσης. Αντίθετα, παρέχεται μόνο με ένα μόριο-στόχο και κατασκευάζει ανεξάρτητα ένα πρωτεϊνικό μοντέλο ικανό να αλληλεπιδράσει με αυτό.
Η ερευνητική προσπάθεια εκτείνεται σε πολλά ιδρύματα, όπως το Caltech, το Mila, το Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ, το Πανεπιστήμιο McGill, το Πανεπιστήμιο του Cambridge στην Οξφόρδη και το Imperial College του Λονδίνου, και περιλαμβάνει την βραβευμένη με Νόμπελ Frances Arnold μεταξύ των αντίστοιχων συγγραφέων της, γεγονός που αντικατοπτρίζει τη στενή σύνδεση του έργου με την καθιερωμένη έρευνα στον τομέα της ενζυμικής μηχανικής.
Το πρόβλημα με τον τρόπο που έχουν σχεδιαστεί τα ένζυμα μέχρι τώρα
Ο σχεδιασμός ενζύμων παραδοσιακά περιορίζεται από τους περιορισμούς τόσο της φυσικής εξέλιξης όσο και της υπολογιστικής μεθοδολογίας. Ενώ η βιολογική εξέλιξη έχει παράγει καταλύτες υψηλής απόδοσης, έχει διερευνήσει μόνο ένα σχετικά στενό υποσύνολο πιθανών χημικών μετασχηματισμών. Πολλές αντιδράσεις που είναι εξαιρετικά πολύτιμες για βιομηχανικές ή φαρμακευτικές εφαρμογές απουσιάζουν από τη βιολογία απλώς και μόνο επειδή δεν επιλέχθηκαν ποτέ για αυτές σε φυσικά περιβάλλοντα.
Οι συμβατικές υπολογιστικές προσεγγίσεις έχουν επίσης αντιμετωπίσει δομικούς περιορισμούς. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι η απαίτηση να defiνέες καταλυτικές διατάξεις υπολειμμάτων εκ των προτέρων, κάτι που προϋποθέτει λεπτομερή μηχανιστική γνώση που συχνά δεν είναι διαθέσιμη για νέες αντιδράσεις. Ένας άλλος περιορισμός είναι ο διαχωρισμός του σχεδιασμού πρωτεϊνών σε διαδοχικά βήματα, όπου η αλληλουχία και η δομή αντιμετωπίζονται ανεξάρτητα. Αυτός ο διαχωρισμός μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια πληροφοριών, καθώς η ενζυμική λειτουργία εξαρτάται από την ολοκληρωμένη σχέση μεταξύ των δύο.
Το DISCO έχει σχεδιαστεί για να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς, μοντελοποιώντας από κοινού την αλληλουχία και τη δομή μέσα σε ένα ενοποιημένο πλαίσιο. Το σύστημα παράγει αλληλουχίες αμινοξέων και ατομικές συντεταγμένες μαζί σε μια ενιαία διαδικασία, επιτρέποντας την εμφάνιση δομικών και λειτουργικών σχέσεων κατά τη διάρκεια της παραγωγής αντί να επιβάλλονται εκ των προτέρων. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στο σύστημα να προτείνει ένζυμα για συγκεκριμένους χημικούς στόχους χωρίς να βασίζεται σε προκατασκευασμένα καταλυτικά σχέδια ή σε ανθρωπογενή...defiενεργές τοποθεσίες.
Εργαστηριακά Αποτελέσματα που Ξεπέρασαν τα Χρόνια Κατευθυνόμενης Εξέλιξης
Η πειραματική επικύρωση του DISCO επικεντρώθηκε στη χημεία μεταφοράς καρβενίου, μια κατηγορία αντιδράσεων που δεν εμφανίζεται σε γνωστά βιολογικά συστήματα αλλά είναι εξαιρετικά σημαντική για τη σύγχρονη συνθετική χημεία, ιδιαίτερα στη φαρμακευτική σύνθεση.
Από περίπου 20,000 υποψήφια ένζυμα που δημιουργήθηκαν υπολογιστικά, επιλέχθηκαν 90 για εργαστηριακές δοκιμές σε τέσσερις τύπους αντιδράσεων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ισχυρή απόδοση σε σχέση τόσο με τα φυσικά εξελιγμένα ένζυμα όσο και με τα προηγουμένως κατασκευασμένα τεχνητά συστήματα.
Σε μια αντίδραση κυκλοπροπανίωσης αναφοράς, το ένζυμο με την υψηλότερη απόδοση που σχεδιάστηκε με DISCO πέτυχε 4,050 συνολικούς κύκλους εργασιών με απόδοση 72%, ξεπερνώντας τόσο τις πρώιμες παραλλαγές του κυτοχρώματος P450 όσο και τα προηγουμένως δημοσιευμένα υπολογιστικά σχέδια ενζύμων που βασίζονταν σε δομημένα καταλυτικά πρότυπα. Σε μια αντίδραση σχηματισμού δεσμού άνθρακα-βορίου, ένα μόνο μη βελτιστοποιημένο σχέδιο DISCO ξεπέρασε τα επίπεδα απόδοσης που προηγουμένως απαιτούσαν πολλαπλούς γύρους κατευθυνόμενης εξέλιξης, επιτυγχάνοντας μια σημαντική αύξηση σε σχέση με την αρχική δραστηριότητα. Σε μια αντίδραση εισαγωγής άνθρακα-υδρογόνου, το σύστημα αντιστοίχισε αποτελέσματα που προηγουμένως είχαν απαιτήσει πολλούς κύκλους εργαστηριακής εξέλιξης για να επιτευχθούν, αλλά τα πέτυχε σε ένα μόνο υπολογιστικό βήμα.
Πέρα από την καταλυτική απόδοση, τα σχέδια επέδειξαν επίσης δομική καινοτομία. Σε σύγκριση με βάσεις δεδομένων πρωτεϊνικής δομής μεγάλης κλίμακας, πολλά από τα μοτίβα που δημιουργήθηκαν έδειξαν μικρή ή καθόλου ομοιότητα με γνωστές φυσικές πρωτεΐνες. Ένα από τα πιο αποτελεσματικά σχέδια φάνηκε να προέρχεται από μια μη καταλυτική πρωτεΐνη δέσμευσης DNA που βρίσκεται σε έναν ακραιόφιλο οργανισμό, παρά το γεγονός ότι έχει μόνο περιορισμένη ομοιότητα αλληλουχίας και καμία γνωστή ενζυματική λειτουργία. Η προκύπτουσα γεωμετρία της ενεργού θέσης αποκλίνει σημαντικά από τα γνωστά βιολογικά πρότυπα, υποδηλώνοντας ότι το σύστημα είναι ικανό να επαναχρησιμοποιεί υπάρχουσες πτυχές πρωτεϊνών για εντελώς νέους χημικούς σκοπούς.
Τα τροποποιημένα ένζυμα επέδειξαν επίσης προσαρμοστικότητα υπό μεταλλάξεις. Σε πειράματα παρακολούθησης, η τυχαία μεταλλαξιογένεση παρήγαγε πολλαπλές βελτιωμένες παραλλαγές και, σε ορισμένες περιπτώσεις, τροποποίησε τα στερεοχημικά αποτελέσματα, υποδεικνύοντας ότι οι δημιουργούμενες δομές διατηρούν εξελικτική ευελιξία. Αυτό το χαρακτηριστικό θεωρείται συχνά απαραίτητο για μακροπρόθεσμη πρακτική εφαρμογή, καθώς επιτρέπει περαιτέρω βελτιστοποίηση μέσω παραδοσιακών εργαστηριακών μεθόδων.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν μια μετατόπιση στον τρόπο προσέγγισης του σχεδιασμού των ενζύμων, απομακρύνοντας από τις χειροκίνητα κατασκευασμένες καταλυτικές υποθέσεις προς γενετικά συστήματα ικανά να παράγουν λειτουργικά σημεία εκκίνησης για περαιτέρω εξέλιξη. Ενώ οι ευρύτερες επιπτώσεις δεν έχουν ακόμη επικυρωθεί πλήρως, η εργασία υπογραμμίζει μια αυξανόμενη πιθανότητα ότι προηγουμένως ανεξερεύνητες περιοχές του χημικού χώρου μπορεί πλέον να είναι υπολογιστικά προσβάσιμες.
Αποποίηση Eυθυνών
Σύμφωνα με το Οδηγίες του έργου Trust, σημειώστε ότι οι πληροφορίες που παρέχονται σε αυτήν τη σελίδα δεν προορίζονται και δεν πρέπει να ερμηνεύονται ως νομικές, φορολογικές, επενδυτικές, χρηματοοικονομικές ή οποιαδήποτε άλλη μορφή συμβουλής. Είναι σημαντικό να επενδύσετε μόνο ό,τι έχετε την πολυτέλεια να χάσετε και να αναζητήσετε ανεξάρτητες οικονομικές συμβουλές εάν έχετε οποιεσδήποτε αμφιβολίες. Για περισσότερες πληροφορίες, προτείνουμε να ανατρέξετε στους όρους και τις προϋποθέσεις, καθώς και στις σελίδες βοήθειας και υποστήριξης που παρέχονται από τον εκδότη ή τον διαφημιστή. MetaversePost δεσμεύεται για ακριβείς, αμερόληπτες αναφορές, αλλά οι συνθήκες της αγοράς υπόκεινται σε αλλαγές χωρίς προειδοποίηση.
Σχετικά με το Συγγραφέας
Alisa, αφοσιωμένη δημοσιογράφος στο MPost, ειδικεύεται σε κρυπτονομίσματα, τεχνητή νοημοσύνη, επενδύσεις και στον εκτεταμένο τομέα των Web3. Με έντονο μάτι για τις αναδυόμενες τάσεις και τεχνολογίες, παρέχει ολοκληρωμένη κάλυψη για την ενημέρωση και την εμπλοκή των αναγνωστών στο συνεχώς εξελισσόμενο τοπίο της ψηφιακής χρηματοδότησης.
Περισσότερα άρθρα
Alisa, αφοσιωμένη δημοσιογράφος στο MPost, ειδικεύεται σε κρυπτονομίσματα, τεχνητή νοημοσύνη, επενδύσεις και στον εκτεταμένο τομέα των Web3. Με έντονο μάτι για τις αναδυόμενες τάσεις και τεχνολογίες, παρέχει ολοκληρωμένη κάλυψη για την ενημέρωση και την εμπλοκή των αναγνωστών στο συνεχώς εξελισσόμενο τοπίο της ψηφιακής χρηματοδότησης.
