Белковые кальциевые каналы созданы с нуля с помощью ИИ
Новые кальциевые каналы, спроектированные и построенные с нуля, были представлены в журнале Nature. Эти синтетические ионные каналы могут стать инструментами для биомедицинских исследований — от нейробиологии и кардиологии до создания синтетических клеточных сигнальных цепей.
Как работают природные каналы
Естественные кальциевые каналы — это поры в мембранах возбудимых клеток (например, нервных или мышечных). Они генерируют электрическую активность, контролируя поток заряженных частиц — ионов кальция (Ca2+), и регулируют такие процессы, как сокращение мышц, сердцебиение и высвобождение нейромедиаторов.
Дизайн с помощью ИИ
Исследователи из Института дизайна белков UW Medicine использовали программу искусственного интеллекта RFdiffusion. Они начали проектирование с селективного фильтра — структуры, которая пропускает ионы кальция, но блокирует другие (например, натрий, Na+). Затем ИИ сгенерировал поддерживающие белковые структуры вокруг этого фильтра.
Ключевой задачей была адаптация инструментов для создания трансмембранных белков, которые функционируют внутри липидного бислоя клеточной мембраны, а не в водной среде.
Проверка функций
Спроектированные каналы были произведены в клетках насекомых и протестированы методом пэтч-кламп электрофизиологии. Несколько дизайнов успешно проводили кальций и показали селективность: они пропускали примерно в 5 раз больше тока для ионов кальция, чем для ионов натрия.
Криоэлектронная микроскопия подтвердила, что один из функциональных каналов собрался точно в соответствии с вычислительной моделью, с атомарной точностью.
Значение и перспективы
Эта работа демонстрирует, что даже сложные биохимические функции, до конца не изученные, можно создавать de novo с помощью ИИ.
В будущем этот подход позволит:
- Изучать и точно контролировать клеточную сигнализацию.
- Исследовать физические принципы ионной селективности.
- Создавать синтетические каналы для других ионов металлов, углубляя понимание процессов в мозге и иммунных клетках.
В исследовании участвовал ведущий мировой специалист по ионным каналам Уильям А. Каттералл, который скончался до публикации работы. Его лаборатория в UW Medicine предоставила ключевую экспертизу в области электрофизиологии для характеристики созданных белков.