DISCO שוברת את מחסום תכנון האנזימים, ויוצרת חלבונים שאין להם מקבילות בטבע
בקיצור
DISCO, מודל בינה מלאכותית חדש של Caltech ו-Mila, מתכנן אנזימים פונקציונליים לתגובות שמעולם לא נראו בביולוגיה - ועולה על שנים של אבולוציה במעבדה בשלב חישובי אחד.
צוות חוקרים מ מכון טכנולוגי של קליפורניה (קלטק), מכון קוויבק לבינה מלאכותית מילה, יחד עם מספר מוסדות אקדמיים מובילים, הציגו מערכת בינה מלאכותית חדשה המסוגלת לתכנן אנזימים חדשים לחלוטין עבור תגובות כימיות שאינן קיימות בטבע. הפיתוח נתפס כנקודת מפנה פוטנציאלית עבור תחומים כמו גילוי תרופות, כימיה תעשייתית וביולוגיה סינתטית, שבהם ההתקדמות הוגבלה היסטורית על ידי מגבלות האבולוציה הטבעית.
המערכת, בשם דיסקוטק — קיצור של DIffusion עבור Sequence-structure CO-design — נועד לייצר בו זמנית גם את רצף חומצות האמינו וגם את המבנה התלת-ממדי של חלבון. בניגוד לשיטות קונבנציונליות, הוא אינו דורש תכנון מוקדם.defiמבוסס על הנחות חשובות לגבי מנגנונים קטליטיים או תצורות של אתר פעיל. במקום זאת, הוא מסופק רק עם מולקולת מטרה, והוא בונה באופן עצמאי מודל חלבון המסוגל לתקשר איתה.
מאמץ המחקר משתרע על פני מספר מוסדות, כולל Caltech, Mila, אוניברסיטת מונטריאול, אוניברסיטת מקגיל, אוניברסיטת קיימברידג', אוקספורד ואימפריאל קולג' לונדון, וכולל את כלת פרס נובל פרנסס ארנולד בין מחבריו, דבר המשקף את הקשר החזק של הפרויקט למחקר הנדסת אנזימים מבוסס.
הבעיה עם איך אנזימים עוצבו עד עכשיו
באופן מסורתי, תכנון אנזימים הוגבל על ידי אילוצים של אבולוציה טבעית ומתודולוגיה חישובית כאחד. בעוד שאבולוציה ביולוגית יצרה זרזים יעילים ביותר, היא חקרה רק תת-קבוצה מצומצמת יחסית של טרנספורמציות כימיות אפשריות. תגובות רבות בעלות ערך רב עבור יישומים תעשייתיים או פרמצבטיים נותרות נעדרות מהביולוגיה פשוט משום שמעולם לא נבחרו בסביבות טבעיות.
גישות חישוביות קונבנציונליות נתקלו גם במגבלות מבניות. אילוץ עיקרי אחד הוא הדרישה ל defiסידורי שאריות קטליטיות מראש, דבר המניח ידע מכניסטי מפורט שלעתים קרובות אינו זמין עבור תגובות חדשות. מגבלה נוספת היא הפרדת תכנון החלבון לשלבים עוקבים, שבהם רצף ומבנה מטופלים באופן עצמאי. הפרדה זו עלולה להוביל לאובדן מידע, מכיוון שתפקוד אנזימטי תלוי בקשר המשולב בין שניהם.
DISCO נועד להתגבר על אילוצים אלה על ידי מידול משותף של רצף ומבנה במסגרת מאוחדת. המערכת מייצרת רצפי חומצות אמינו וקואורדינטות אטומיות יחד בתהליך יחיד, מה שמאפשר לקשרים מבניים ותפקודיים להופיע במהלך היצירה במקום להיאכף מראש. גישה זו מאפשרת למערכת להציע אנזימים עבור מטרות כימיות ספציפיות מבלי להסתמך על תוכניות קטליטיות מהונדסות מראש או על תהליכים אנושיים.defiאתרים פעילים.
תוצאות מעבדה שעלו על שנים של אבולוציה מכוונת
אימות ניסיוני של DISCO התמקד בכימיה של העברת קרבן, סוג של תגובות שאינן מתרחשות במערכות ביולוגיות ידועות אך רלוונטיות ביותר לכימיה סינתטית מודרנית, במיוחד בסינתזה פרמצבטית.
מתוך כ-20,000 אנזימים מועמדים שנוצרו באמצעות חישוב, 90 נבחרו לבדיקות מעבדה בארבעה סוגי תגובה. התוצאות הצביעו על ביצועים חזקים הן ביחס לאנזימים שפותחו באופן טבעי והן ביחס למערכות מלאכותיות שהונדסו בעבר.
בתגובת ציקלופרופונציה משופרת, האנזים בעל הביצועים הגבוהים ביותר שתוכנן על ידי DISCO השיג 4,050 איבודי מחזור בסך הכל עם תפוקה של 72 אחוזים, ועבר הן את גרסאות הציטוכרום P450 המהונדסות מוקדם והן את תכנוני האנזימים החישוביים שפורסמו בעבר והסתמכו על תבניות קטליטיות מובנות. בתגובת יצירת קשר פחמן-בורון, תכנן DISCO יחיד ולא אופטימלי עלה על רמות ביצועים שבעבר דרשו סבבים מרובים של אבולוציה מכוונת, והשיג עלייה משמעותית ביחס לפעילות הבסיסית. בתגובת החדרת פחמן-מימן, המערכת התאימה לתוצאות שלקח בעבר מחזורים רבים של אבולוציה במעבדה כדי להגיע אליהן, אך השיגה אותן בשלב חישובי יחיד.
מעבר לביצועים הקטליטיים, העיצובים גם הפגינו חידוש מבני. בהשוואה למאגרי מידע גדולים של מבנה חלבונים, רבים מהמוטיבים שנוצרו הראו דמיון מועט או ללא דמיון כלל לחלבונים טבעיים ידועים. נראה כי אחד העיצובים היעילים ביותר נגזר מחלבון שאינו קטליטי הקושר DNA, שנמצא באורגניזם אקסטרמופילי, למרות שיש לו דמיון רצפי מוגבל בלבד וללא תפקוד אנזימטי ידוע. הגיאומטריה של האתר הפעיל שנוצרה שונה באופן משמעותי מתבניות ביולוגיות ידועות, דבר המצביע על כך שהמערכת מסוגלת להשתמש מחדש בקיפולי חלבונים קיימים למטרות כימיות חדשות לחלוטין.
האנזימים המהונדסים הציגו גם יכולת הסתגלות תחת מוטציה. בניסויי מעקב, מוטגנזה אקראית יצרה מספר וריאנטים משופרים, ובמקרים מסוימים שינו תוצאות סטריאוכימיות, דבר המצביע על כך שהמבנים שנוצרו שומרים על גמישות אבולוציונית. מאפיין זה נחשב לעתים קרובות חיוני ליישום מעשי ארוך טווח, שכן הוא מאפשר אופטימיזציה נוספת באמצעות שיטות מעבדה מסורתיות.
הממצאים מצביעים על שינוי באופן שבו ניתן לגשת לתכנון אנזימים, תוך התרחקות מהשערות קטליטיות שנבנו באופן ידני לכיוון מערכות יצירתיות המסוגלות לייצר נקודות התחלה פונקציונליות להמשך האבולוציה. בעוד שההשלכות הרחבות יותר טרם אומתו במלואן, העבודה מדגישה אפשרות גוברת שאזורים שלא נחקרו בעבר במרחב הכימי עשויים כעת להיות נגישים מבחינה חישובית.
כתב ויתור
בקנה אחד עם הנחיות פרויקט אמון, אנא שים לב שהמידע המסופק בדף זה אינו מיועד ואין לפרש אותו כייעוץ משפטי, מס, השקעות, פיננסי או כל צורה אחרת של ייעוץ. חשוב להשקיע רק את מה שאתה יכול להרשות לעצמך להפסיד ולפנות לייעוץ פיננסי עצמאי אם יש לך ספק. למידע נוסף, אנו מציעים להתייחס לתנאים ולהגבלות וכן לדפי העזרה והתמיכה שסופקו על ידי המנפיק או המפרסם. MetaversePost מחויבת לדיווח מדויק וחסר פניות, אך תנאי השוק עשויים להשתנות ללא הודעה מוקדמת.
על המחבר
אליסה, עיתונאית מסורה ב- MPost, מתמחה בקריפטו, בינה מלאכותית, השקעות והתחום הנרחב של Web3. עם עין חדה לטרנדים וטכנולוגיות מתפתחות, היא מספקת סיקור מקיף כדי ליידע ולערב את הקוראים בנוף ההולך ומתפתח של מימון דיגיטלי.
מאמרים נוספים
אליסה, עיתונאית מסורה ב- MPost, מתמחה בקריפטו, בינה מלאכותית, השקעות והתחום הנרחב של Web3. עם עין חדה לטרנדים וטכנולוגיות מתפתחות, היא מספקת סיקור מקיף כדי ליידע ולערב את הקוראים בנוף ההולך ומתפתח של מימון דיגיטלי.
