ИИ даёт алгоритмам возможность создавать биомолекулы с широким спектром ценных функций

Исследователи из Института Вейцмана совершили прорыв в дизайне белков, объединив методы искусственного интеллекта и алгоритмы компьютерного дизайна.

Проблема: "примадонны"-ферменты

Целью постдока Ширан Барбер-Цукер было создание ферментов для разложения пластиковых отходов. Она сосредоточилась на универсальных пероксидазах — природных ферментах, разлагающих древесину. Однако эти ферменты крайне нестабильны и с ними трудно работать: их почти невозможно получить в лаборатории, и они не образуют кристаллы, необходимые для определения 3D-структуры с помощью рентгеновской кристаллографии. Без точной структуры применить алгоритмы дизайна белков (например, PROSS из лаборатории профессора Сареля Флейшмана) для их улучшения было нельзя.

Решение: революция в предсказании структур ИИ

Ситуация изменилась в конце 2020 года, когда методы искусственного интеллекта для предсказания структуры белков по их ДНК-последовательности (от DeepMind и других) стали высокоточными. Полученные AI-модели структур оказались почти столь же точны, как и экспериментальные.

Результат: дизайн ранее недоступных белков

Используя предсказанные ИИ 3D-модели в качестве отправной точки и алгоритм PROSS для их стабилизации, команда смогла:

  • За менее шести месяцев (против ~10 лет на описание одной структуры традиционными методами) спроектировать, получить и проанализировать стабильные варианты трёх универсальных пероксидаз.
  • Создать ферменты, устойчивые к нагреванию, что критически важно для промышленного применения.
  • Показать, что каждый улучшенный фермент специализируется на разложении разных компонентов древесины, что предполагает их синергетическое действие.

Значение и перспективы

Это комбинированное открытие — поворотный момент:

  • "Тёмная материя" биологии (миллионы белков без известной структуры или которые нельзя экспрессировать в лаборатории) теперь доступна для исследований.
  • Биомедицина: процесс адаптации антител из животных для использования в клинике (трудоёмкий и требующий кристаллизации) может стать гораздо эффективнее.
  • Экология: стабильные пероксидазы могут использоваться для:
    • Переработки сельскохозяйственных отходов в сахара для производства биотоплива.
    • Разложения стойких загрязняющих красителей (что уже продемонстрировано).
    • Создания синергетических "коктейлей" из ферментов для переработки отходов древесины.

Исследование открывает путь к реализации мечты о переработке твёрдых пластиков с помощью ферментов и опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

2022-04-13