ИИ создаёт искусственную ДНК для разработки лекарств будущего

Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция) с помощью искусственного интеллекта разработали синтетическую ДНК, которая контролирует производство белка в клетках. Эта технология может ускорить и удешевить разработку и производство вакцин, лекарств от тяжёлых заболеваний, а также альтернативных пищевых белков.

Процесс экспрессии генов фундаментален для функционирования клеток. Генетический код из ДНК транскрибируется в молекулу матричной РНК (мРНК), которая указывает клеточной "фабрике", какой белок и в каком количестве производить.

Контроль над экспрессией генов важен для разработки белковых препаратов. Яркий пример — мРНК-вакцина против COVID-19, которая заставляла клетки организма производить тот же белок, что и на поверхности коронавируса, обучая иммунную систему создавать антитела. Понимание генетического кода, стоящего за производством специфических белков, может помочь в борьбе с раковыми клетками или другими сложными заболеваниями.

Большинство современных новых лекарств — белковые, но методы их производства дороги и медленны из-за сложности контроля экспрессии ДНК. Группа под руководством доцента системной биологии Алексея Зелезняка сделала важный шаг в понимании и контроле количества белка, производимого из определённой последовательности ДНК.

"Сначала нужно было полностью 'прочитать' инструкции молекулы ДНК. Теперь мы смогли спроектировать собственную ДНК, содержащую точные инструкции для контроля количества конкретного белка", — говорит Алексей Зелезняк.

ДНК-молекулы на заказ

Принцип метода аналогичен генерации лиц ИИ: обучившись на множестве реальных лиц, ИИ создаёт новые, но правдоподобные изображения, которые легко модифицировать. Аналогично ИИ исследователей обучили структуре и регуляторному коду ДНК. Теперь он проектирует синтетическую ДНК, в которой можно легко изменить регуляторную информацию для достижения желаемого уровня экспрессии гена. ИИ получает задание о необходимом количестве гена и "печатает" соответствующую последовательность ДНК.

"ДНК — невероятно длинная и сложная молекула. Экспериментально менять её итеративно, считывая и изменяя снова, крайне сложно. На это уходят годы исследований. Гораздо эффективнее позволить ИИ изучить принципы работы с ДНК. То, что раньше занимало годы, теперь сокращается до недель или дней", — говорит первый автор Ян Зримец.

Метод был разработан на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, чьи клетки похожи на клетки млекопитающих. Следующий шаг — работа с человеческими клетками. Исследователи надеются, что их достижение повлияет на разработку новых и существующих лекарств.

"Белковые препараты для сложных заболеваний или альтернативные пищевые белки могут разрабатываться много лет и быть чрезвычайно дорогими. Некоторые настолько дороги, что окупаемость невозможна. Наша технология позволяет разрабатывать и производить белки гораздо эффективнее, чтобы их можно было вывести на рынок", — отмечает Алексей Зелезняк.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.