DISCO phá vỡ rào cản trong thiết kế enzyme, tạo ra các protein không có tương đương trong tự nhiên.
Tóm lại
DISCO, một mô hình trí tuệ nhân tạo mới từ Caltech và Mila, thiết kế các enzyme chức năng cho các phản ứng chưa từng thấy trong sinh học — vượt trội hơn nhiều năm nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm chỉ trong một bước tính toán duy nhất.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California (Caltech), Viện Trí tuệ Nhân tạo Quebec Mila và một số viện nghiên cứu hàng đầu đã giới thiệu một hệ thống trí tuệ nhân tạo mới có khả năng thiết kế các enzyme hoàn toàn mới cho các phản ứng hóa học không tồn tại trong tự nhiên. Sự phát triển này được xem là một bước ngoặt tiềm năng cho các lĩnh vực như phát hiện thuốc, hóa học công nghiệp và sinh học tổng hợp, nơi mà sự tiến bộ từ trước đến nay bị hạn chế bởi giới hạn của quá trình tiến hóa tự nhiên.
Hệ thống, được đặt tên ĐĨA — viết tắt của DIffusion for Sequence-structure CO-design — được thiết kế để tạo ra đồng thời cả trình tự axit amin và cấu trúc ba chiều của protein. Không giống như các phương pháp thông thường, nó không yêu cầu chuẩn bị trước.defiNó không dựa trên các giả định về cơ chế xúc tác hay cấu hình vị trí hoạt động. Thay vào đó, nó chỉ được cung cấp một phân tử mục tiêu, và nó tự xây dựng một mô hình protein có khả năng tương tác với phân tử đó.
Nỗ lực nghiên cứu này trải rộng trên nhiều tổ chức, bao gồm Caltech, Mila, Đại học Montréal, Đại học McGill, Đại học Cambridge, Oxford và Đại học Imperial College London, và có cả nhà khoa học đoạt giải Nobel Frances Arnold trong số các tác giả chính, phản ánh mối liên hệ chặt chẽ của dự án với nghiên cứu kỹ thuật enzyme đã được thiết lập.
Vấn đề với cách thiết kế enzyme từ trước đến nay
Việc thiết kế enzyme theo truyền thống bị hạn chế bởi những ràng buộc của cả quá trình tiến hóa tự nhiên và phương pháp tính toán. Mặc dù quá trình tiến hóa sinh học đã tạo ra các chất xúc tác hiệu quả cao, nhưng nó chỉ khám phá một tập hợp con tương đối hẹp các biến đổi hóa học có thể xảy ra. Nhiều phản ứng có giá trị cao cho các ứng dụng công nghiệp hoặc dược phẩm vẫn chưa xuất hiện trong sinh học đơn giản vì chúng chưa bao giờ được chọn lọc trong môi trường tự nhiên.
Các phương pháp tính toán truyền thống cũng gặp phải những hạn chế về cấu trúc. Một hạn chế lớn là yêu cầu phải defiViệc sắp xếp trước các dư lượng xúc tác đòi hỏi kiến thức cơ chế chi tiết mà thường không có sẵn đối với các phản ứng mới. Một hạn chế khác là việc tách thiết kế protein thành các bước tuần tự, trong đó trình tự và cấu trúc được xử lý độc lập. Sự tách biệt này có thể dẫn đến mất thông tin, vì chức năng của enzyme phụ thuộc vào mối quan hệ tích hợp giữa cả hai.
DISCO được thiết kế để khắc phục những hạn chế này bằng cách mô hình hóa đồng thời trình tự và cấu trúc trong một khuôn khổ thống nhất. Hệ thống tạo ra trình tự axit amin và tọa độ nguyên tử cùng nhau trong một quy trình duy nhất, cho phép các mối quan hệ cấu trúc và chức năng xuất hiện trong quá trình tạo ra chứ không phải được áp đặt trước. Cách tiếp cận này cho phép hệ thống đề xuất các enzyme cho các mục tiêu hóa học cụ thể mà không cần dựa vào các bản thiết kế xúc tác được thiết kế sẵn hoặc ý kiến của con người.deficác vị trí hoạt động.
Kết quả thí nghiệm vượt trội hơn nhiều năm tiến hóa có định hướng.
Việc kiểm chứng thực nghiệm của DISCO tập trung vào hóa học chuyển cacben, một loại phản ứng không xảy ra trong các hệ thống sinh học đã biết nhưng lại rất quan trọng đối với hóa học tổng hợp hiện đại, đặc biệt là trong tổng hợp dược phẩm.
Từ khoảng 20,000 ứng viên enzyme được tạo ra bằng phương pháp tính toán, 90 enzyme đã được chọn để thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trên bốn loại phản ứng. Kết quả cho thấy hiệu suất mạnh mẽ so với cả các enzyme tiến hóa tự nhiên và các hệ thống nhân tạo được thiết kế trước đó.
Trong phản ứng cyclopropan hóa chuẩn, enzyme được thiết kế bằng thuật toán DISCO có hiệu suất cao nhất đạt được 4,050 chu kỳ phản ứng với hiệu suất 72%, vượt trội so với cả các biến thể cytochrome P450 được thiết kế trước đó và các thiết kế enzyme tính toán đã được công bố trước đây dựa trên các khuôn mẫu xúc tác có cấu trúc. Trong phản ứng tạo liên kết carbon-boron, một thiết kế DISCO chưa được tối ưu hóa đã vượt qua mức hiệu suất mà trước đây cần nhiều vòng tiến hóa có định hướng, đạt được sự gia tăng đáng kể so với hoạt động cơ bản. Trong phản ứng chèn carbon-hydro, hệ thống đạt được kết quả tương đương với những kết quả trước đây cần nhiều chu kỳ tiến hóa trong phòng thí nghiệm, nhưng chỉ cần một bước tính toán duy nhất.
Ngoài hiệu suất xúc tác, các thiết kế này còn thể hiện tính mới lạ về cấu trúc. Khi so sánh với các cơ sở dữ liệu cấu trúc protein quy mô lớn, nhiều mô típ được tạo ra cho thấy rất ít hoặc không có sự tương đồng với các protein tự nhiên đã biết. Một trong những thiết kế hiệu quả nhất dường như được bắt nguồn từ một protein liên kết DNA không có chức năng xúc tác được tìm thấy trong một sinh vật ưa cực đoan, mặc dù chỉ có sự tương đồng về trình tự hạn chế và không có chức năng enzym nào được biết đến. Hình dạng vị trí hoạt động thu được khác biệt đáng kể so với các khuôn mẫu sinh học đã biết, cho thấy hệ thống này có khả năng tái sử dụng các nếp gấp protein hiện có cho các mục đích hóa học hoàn toàn mới.
Các enzyme được thiết kế cũng thể hiện khả năng thích ứng dưới tác động của đột biến. Trong các thí nghiệm tiếp theo, đột biến ngẫu nhiên đã tạo ra nhiều biến thể được cải tiến, và trong một số trường hợp đã làm thay đổi kết quả lập thể, cho thấy các cấu trúc được tạo ra vẫn giữ được tính linh hoạt trong quá trình tiến hóa. Đặc điểm này thường được coi là thiết yếu cho ứng dụng thực tiễn lâu dài, vì nó cho phép tối ưu hóa hơn nữa thông qua các phương pháp phòng thí nghiệm truyền thống.
Những phát hiện này cho thấy một sự thay đổi trong cách tiếp cận thiết kế enzyme, chuyển từ các giả thuyết xúc tác được xây dựng thủ công sang các hệ thống tạo sinh có khả năng tạo ra các điểm khởi đầu chức năng cho sự phát triển tiếp theo. Mặc dù ý nghĩa rộng hơn vẫn cần được xác nhận đầy đủ, công trình này nhấn mạnh khả năng ngày càng tăng rằng các vùng chưa được khám phá trước đây trong không gian hóa học giờ đây có thể được tiếp cận bằng phương pháp tính toán.
Trách nhiệm công ty
Phù hợp với Hướng dẫn của Dự án Tin cậy, xin lưu ý rằng thông tin được cung cấp trên trang này không nhằm mục đích và không được hiểu là tư vấn pháp lý, thuế, đầu tư, tài chính hoặc bất kỳ hình thức tư vấn nào khác. Điều quan trọng là chỉ đầu tư những gì bạn có thể đủ khả năng để mất và tìm kiếm lời khuyên tài chính độc lập nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào. Để biết thêm thông tin, chúng tôi khuyên bạn nên tham khảo các điều khoản và điều kiện cũng như các trang trợ giúp và hỗ trợ do nhà phát hành hoặc nhà quảng cáo cung cấp. MetaversePost cam kết báo cáo chính xác, không thiên vị nhưng điều kiện thị trường có thể thay đổi mà không cần thông báo trước.
Giới thiệu về Tác giả
Alisa, một nhà báo tận tâm tại MPostchuyên về tiền điện tử, trí tuệ nhân tạo, đầu tư và lĩnh vực rộng lớn khác. Web3. Với con mắt quan tâm đến các xu hướng và công nghệ mới nổi, cô cung cấp thông tin toàn diện để cung cấp thông tin và thu hút độc giả trong bối cảnh không ngừng phát triển của tài chính kỹ thuật số.
Xem thêm bài viết
Alisa, một nhà báo tận tâm tại MPostchuyên về tiền điện tử, trí tuệ nhân tạo, đầu tư và lĩnh vực rộng lớn khác. Web3. Với con mắt quan tâm đến các xu hướng và công nghệ mới nổi, cô cung cấp thông tin toàn diện để cung cấp thông tin và thu hút độc giả trong bối cảnh không ngừng phát triển của tài chính kỹ thuật số.
