DISCO ทลายกำแพงการออกแบบเอนไซม์ สร้างโปรตีนที่ไม่มีเทียบเท่าในธรรมชาติ
ในบทสรุป
DISCO ซึ่งเป็นแบบจำลอง AI ใหม่จาก Caltech และ Mila ออกแบบเอนไซม์ที่มีฟังก์ชันการทำงานสำหรับปฏิกิริยาที่ไม่เคยพบเห็นในทางชีววิทยามาก่อน โดยมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิวัฒนาการในห้องทดลองหลายปีด้วยขั้นตอนการคำนวณเพียงขั้นตอนเดียว
ทีมนักวิจัยจาก สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (แคลเทค) สถาบัน AI แห่งควิเบก บริษัท Mila และสถาบันการศึกษาชั้นนำหลายแห่งได้นำเสนอระบบ AI ใหม่ที่สามารถออกแบบเอนไซม์ใหม่ทั้งหมดสำหรับปฏิกิริยาเคมีที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ การพัฒนานี้ถูกมองว่าเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญสำหรับสาขาต่างๆ เช่น การค้นพบยา เคมีอุตสาหกรรม และชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ซึ่งความก้าวหน้าในอดีตถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดของวิวัฒนาการตามธรรมชาติ
ระบบชื่อ ดิสโก้ — ซึ่งย่อมาจาก DIffusion หรือ Sequence-structure CO-design — ถูกออกแบบมาเพื่อสร้างทั้งลำดับกรดอะมิโนและโครงสร้างสามมิติของโปรตีนไปพร้อมกัน แตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิมตรงที่ไม่ต้องมีการเตรียมข้อมูลล่วงหน้าdefiไม่จำเป็นต้องตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับกลไกการเร่งปฏิกิริยาหรือโครงสร้างของบริเวณออกฤทธิ์ แต่จะได้รับเพียงโมเลกุลเป้าหมายเท่านั้น และจะสร้างแบบจำลองโปรตีนที่สามารถโต้ตอบกับโมเลกุลนั้นได้โดยอัตโนมัติ
งานวิจัยนี้ครอบคลุมหลายสถาบัน ได้แก่ Caltech, Mila, Université de Montréal, McGill University, University of Cambridge, Oxford และ Imperial College London โดยมี Frances Arnold ผู้ได้รับรางวัลโนเบลเป็นหนึ่งในผู้เขียนหลัก ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความเชื่อมโยงอย่างแน่นแฟ้นของโครงการนี้กับงานวิจัยด้านวิศวกรรมเอนไซม์ที่เป็นที่ยอมรับ
ปัญหาของการออกแบบเอนไซม์ในอดีต
การออกแบบเอนไซม์นั้นถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดทั้งจากวิวัฒนาการทางธรรมชาติและวิธีการคำนวณมาโดยตลอด แม้ว่าวิวัฒนาการทางชีวภาพจะสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง แต่ก็สำรวจได้เพียงส่วนย่อยที่ค่อนข้างแคบของปฏิกิริยาเคมีที่เป็นไปได้เท่านั้น ปฏิกิริยาหลายอย่างที่มีคุณค่าสูงสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหรือเภสัชกรรมยังคงขาดหายไปจากชีววิทยาเพียงเพราะไม่เคยได้รับการคัดเลือกในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ
วิธีการคำนวณแบบดั้งเดิมก็เผชิญกับข้อจำกัดเชิงโครงสร้างเช่นกัน ข้อจำกัดที่สำคัญประการหนึ่งคือข้อกำหนดที่ว่า defiการจัดเรียงสารตกค้างเร่งปฏิกิริยาล่วงหน้าเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งต้องอาศัยความรู้เชิงกลไกอย่างละเอียด ซึ่งมักหาได้ยากสำหรับปฏิกิริยาใหม่ๆ ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งคือการแยกการออกแบบโปรตีนออกเป็นขั้นตอนตามลำดับ โดยที่ลำดับและโครงสร้างจะถูกจัดการแยกจากกัน การแยกเช่นนี้อาจนำไปสู่การสูญเสียข้อมูล เนื่องจากหน้าที่ของเอนไซม์ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์แบบบูรณาการระหว่างทั้งสองอย่าง
DISCO ได้รับการออกแบบมาเพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้โดยการสร้างแบบจำลองลำดับและโครงสร้างร่วมกันภายในกรอบการทำงานที่เป็นหนึ่งเดียว ระบบสร้างลำดับกรดอะมิโนและพิกัดอะตอมพร้อมกันในกระบวนการเดียว ทำให้ความสัมพันธ์เชิงโครงสร้างและหน้าที่เกิดขึ้นระหว่างการสร้างแทนที่จะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้า แนวทางนี้ช่วยให้ระบบสามารถเสนอเอนไซม์สำหรับเป้าหมายทางเคมีเฉพาะโดยไม่ต้องพึ่งพาแบบแผนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบไว้ล่วงหน้าหรือมนุษย์defiจำเป็นต้องเปิดใช้งานไซต์
ผลการทดลองในห้องปฏิบัติการที่เหนือกว่าการพัฒนาแบบกำหนดทิศทางมาหลายปี
การตรวจสอบความถูกต้องเชิงทดลองของ DISCO มุ่งเน้นไปที่เคมีของการถ่ายโอนคาร์บีน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาประเภทหนึ่งที่ไม่เกิดขึ้นในระบบชีวภาพที่รู้จัก แต่มีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับเคมีสังเคราะห์สมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสังเคราะห์ยา
จากเอนไซม์ที่สร้างขึ้นโดยใช้คอมพิวเตอร์ประมาณ 20,000 ชนิด มีการคัดเลือก 90 ชนิดเพื่อนำไปทดสอบในห้องปฏิบัติการในปฏิกิริยา 4 ประเภท ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีเมื่อเทียบกับทั้งเอนไซม์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและระบบสังเคราะห์ที่สร้างขึ้นก่อนหน้านี้
ในการทดสอบปฏิกิริยาไซโคลโพรพาเนชัน เอนไซม์ที่ออกแบบโดย DISCO ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด สามารถทำปฏิกิริยาได้ 4,050 รอบ โดยมีผลผลิต 72 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงกว่าเอนไซม์ไซโตโครม P450 ที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมในยุคแรกๆ และเอนไซม์ที่ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ซึ่งเคยตีพิมพ์มาก่อนหน้านี้ ซึ่งอาศัยแม่แบบเร่งปฏิกิริยาที่มีโครงสร้าง ในปฏิกิริยาการสร้างพันธะคาร์บอน-โบรอน การออกแบบ DISCO เพียงครั้งเดียวที่ยังไม่ได้ปรับแต่ง สามารถทำได้ดีกว่าระดับประสิทธิภาพที่เคยต้องใช้การวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางหลายรอบ และเพิ่มกิจกรรมขึ้นอย่างมากจากระดับพื้นฐาน ในปฏิกิริยาการแทรกคาร์บอน-ไฮโดรเจน ระบบนี้ให้ผลลัพธ์ที่เทียบเท่ากับที่เคยต้องใช้การวิวัฒนาการในห้องปฏิบัติการหลายรอบ แต่สามารถทำได้ในขั้นตอนการคำนวณเพียงครั้งเดียว
นอกเหนือจากประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาแล้ว การออกแบบเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นถึงความแปลกใหม่ทางโครงสร้าง เมื่อเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลโครงสร้างโปรตีนขนาดใหญ่ ลวดลายที่สร้างขึ้นจำนวนมากแสดงให้เห็นว่ามีความคล้ายคลึงกับโปรตีนธรรมชาติที่รู้จักเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย การออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดแบบหนึ่งดูเหมือนจะได้รับมาจากโปรตีนที่จับกับ DNA ที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งพบในสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว แม้ว่าจะมีลำดับที่คล้ายคลึงกันเพียงเล็กน้อยและไม่มีหน้าที่ทางเอนไซม์ที่รู้จักก็ตาม รูปทรงเรขาคณิตของบริเวณออกฤทธิ์ที่ได้นั้นแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากแม่แบบทางชีวภาพที่รู้จัก ซึ่งบ่งชี้ว่าระบบนี้สามารถนำโครงสร้างโปรตีนที่มีอยู่มาใช้ใหม่เพื่อวัตถุประสงค์ทางเคมีใหม่ทั้งหมดได้
เอนไซม์ที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมยังแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวภายใต้การกลายพันธุ์ ในการทดลองเพิ่มเติม การกลายพันธุ์แบบสุ่มทำให้เกิดตัวแปรที่ดีขึ้นหลายตัว และในบางกรณีก็เปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ทางสเตอริโอเคมี ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างที่สร้างขึ้นยังคงมีความยืดหยุ่นในการวิวัฒนาการ คุณลักษณะนี้มักถูกพิจารณาว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในระยะยาว เนื่องจากช่วยให้สามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นได้ผ่านวิธีการทางห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิม
ผลการวิจัยชี้ให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงวิธีการออกแบบเอนไซม์ โดยเปลี่ยนจากการสร้างสมมติฐานการเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเองไปสู่ระบบสร้างสรรค์ที่สามารถสร้างจุดเริ่มต้นการทำงานเพื่อการพัฒนาต่อไปได้ แม้ว่าผลกระทบในวงกว้างยังคงต้องได้รับการตรวจสอบอย่างครบถ้วน แต่ผลงานนี้เน้นย้ำถึงความเป็นไปได้ที่เพิ่มขึ้นว่าพื้นที่ทางเคมีที่ไม่เคยมีการสำรวจมาก่อนอาจสามารถเข้าถึงได้ด้วยวิธีการคำนวณแล้วในปัจจุบัน
ข้อจำกัดความรับผิดชอบ
สอดคล้องกับ แนวทางโครงการที่เชื่อถือได้โปรดทราบว่าข้อมูลที่ให้ไว้ในหน้านี้ไม่ได้มีจุดมุ่งหมายและไม่ควรตีความว่าเป็นคำแนะนำทางกฎหมาย ภาษี การลงทุน การเงิน หรือรูปแบบอื่นใด สิ่งสำคัญคือต้องลงทุนเฉพาะในสิ่งที่คุณสามารถที่จะสูญเสียได้ และขอคำแนะนำทางการเงินที่เป็นอิสระหากคุณมีข้อสงสัยใดๆ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม เราขอแนะนำให้อ้างอิงข้อกำหนดและเงื่อนไขตลอดจนหน้าช่วยเหลือและสนับสนุนที่ผู้ออกหรือผู้ลงโฆษณาให้ไว้ MetaversePost มุ่งมั่นที่จะรายงานที่ถูกต้องและเป็นกลาง แต่สภาวะตลาดอาจมีการเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่ต้องแจ้งให้ทราบล่วงหน้า
เกี่ยวกับผู้เขียน
อลิสา นักข่าวผู้ทุ่มเทของ MPostเชี่ยวชาญด้านคริปโตเคอร์เรนซี ปัญญาประดิษฐ์ การลงทุน และขอบเขตอันกว้างขวางของ... Web3- ด้วยสายตาที่กระตือรือร้นต่อแนวโน้มและเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ เธอจึงนำเสนอความครอบคลุมที่ครอบคลุมเพื่อแจ้งและดึงดูดผู้อ่านเกี่ยวกับภูมิทัศน์ทางการเงินดิจิทัลที่พัฒนาอยู่ตลอดเวลา
บทความอื่น ๆ
อลิสา นักข่าวผู้ทุ่มเทของ MPostเชี่ยวชาญด้านคริปโตเคอร์เรนซี ปัญญาประดิษฐ์ การลงทุน และขอบเขตอันกว้างขวางของ... Web3- ด้วยสายตาที่กระตือรือร้นต่อแนวโน้มและเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ เธอจึงนำเสนอความครอบคลุมที่ครอบคลุมเพื่อแจ้งและดึงดูดผู้อ่านเกี่ยวกับภูมิทัศน์ทางการเงินดิจิทัลที่พัฒนาอยู่ตลอดเวลา
