ИИ создаёт белки с исключительной силой связывания
Новое исследование в журнале Nature сообщает о достижении в биотехнологии, основанном на искусственном интеллекте, с последствиями для разработки лекарств, диагностики заболеваний и экологического мониторинга. Учёные из Института дизайна белков Медицинской школы Вашингтонского университета использовали программное обеспечение для создания белковых молекул, которые связываются с исключительно высоким сродством и специфичностью с рядом сложных биомаркеров, включая человеческие гормоны.
Примечательно, что учёные достигли самой высокой силы взаимодействия из когда-либо зарегистрированных между компьютерно-генерированной биомолекулой и её мишенью.
Старший автор Дэвид Бейкер, профессор биохимии в UW Medicine и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, подчеркнул потенциальное влияние: «Возможность генерировать новые белки с таким высоким сродством и специфичностью связывания открывает мир возможностей — от новых методов лечения болезней до передовой диагностики».
Команда под руководством членов лаборатории Бейкера Сусаны Васкес-Торрес, Притхама Венкатеша и Фила Леунга поставила задачу создать белки, способные связываться с глюкагоном, нейропептидом Y, паратиреоидным гормоном и другими мишенями в виде спиральных пептидов. Такие молекулы, важные в биологических системах, особенно трудно распознавать лекарствам и диагностическим инструментам, поскольку они часто не имеют стабильных молекулярных структур.
Антитела можно использовать для обнаружения некоторых из этих медицински значимых мишеней, но их производство часто дорого, а срок хранения ограничен.
«Существует множество заболеваний, которые сегодня трудно лечить, просто потому что так сложно обнаружить определённые молекулы в организме. Как инструменты для диагностики, сконструированные белки могут предложить более экономичную альтернативу антителам», — пояснил Венкатеш.
Исследование представляет новый подход к дизайну белков, использующий передовые методы глубокого обучения. Учёные предлагают новый способ использования RFdiffusion, генеративной модели для создания новых белковых форм, в сочетании с инструментом для дизайна последовательностей ProteinMPNN. Разработанные в лаборатории Бейкера, эти программы позволяют учёным создавать функциональные белки эффективнее, чем когда-либо.
Комбинируя эти инструменты новыми способами, команда генерировала связывающие белки, используя ограниченную информацию о мишени, такую как только аминокислотная последовательность пептида. Широкие последствия этого подхода «построить по мерке» предполагают новую эру в биотехнологии, в которой белки, созданные ИИ, могут использоваться для обнаружения сложных молекул, важных для здоровья человека и окружающей среды.
«Мы наблюдаем захватывающую эру в дизайне белков, где передовые инструменты искусственного интеллекта, подобные представленным в нашем исследовании, ускоряют улучшение активности белка. Этот прорыв готов переопределить ландшафт биотехнологии», — отметила Васкес-Торрес.
В сотрудничестве с лабораторией Джозефа Роджерса в Копенгагенском университете и лабораторией Эндрю Хуфнагла в UW Medicine команда провела лабораторные тесты для валидации своих методов Biodesign. Масс-спектрометрия использовалась для обнаружения сконструированных белков, связывающихся с низкоконцентрированными пептидами в человеческой сыворотке, демонстрируя потенциал для чувствительной и точной диагностики заболеваний.
Кроме того, белки сохраняли способность связываться с мишенью в жёстких условиях, включая высокую температуру, что является критически важным свойством для практического применения.
Дальнейшая демонстрация потенциала метода: исследователи интегрировали высокоаффинный связывающий белок для паратиреоидного гормона в биосенсорную систему и достигли 21-кратного увеличения сигнала биолюминесценции в образцах, содержащих целевой гормон. Эта интеграция в диагностическое устройство подчёркивает непосредственные практические применения белков, созданных ИИ.
Исследование, иллюстрирующее слияние биотехнологии и искусственного интеллекта и устанавливающее новый прецедент в обеих областях, опубликовано в Nature под заголовком «De novo design of high-affinity binders of bioactive helical peptides».