Нанобиотики: ИИ для обнаружения связей наночастиц с белками

Новая компьютерная модель, разработанная в Мичиганском университете, может определять, будут ли и как связываться наночастица и белок. Это важный шаг к возможности проектировать антибиотики и противовирусные средства по запросу.

Инструмент может помочь найти способы остановить устойчивые к антибиотикам инфекции и новые вирусы, а также помочь в дизайне наночастиц для различных целей.

"Только в 2019 году число умерших от устойчивости к противомикробным препаратам составило 4,95 миллиона. Даже до COVID, усугубившего проблему, исследования показывали, что к 2050 году число смертей от устойчивости к антибиотикам достигнет 10 миллионов", — сказала Анджела Виоли, профессор машиностроения и автор-корреспондент исследования, попавшего на обложку Nature Computational Science.

Новая модель, названная NeCLAS, использует машинное обучение. Вместо обработки языка она анализирует структурные модели белков и их известные сайты связывания. На основе этой информации она учится предсказывать, как белки и наночастицы могут взаимодействовать, прогнозировать сайты связывания и вероятность связывания между ними, а также взаимодействия между двумя белками или двумя наночастицами.

"Существуют другие модели, но наша — лучшая для прогнозирования взаимодействий между белками и наночастицами", — сказал Паоло Эльвати, научный сотрудник.

В отличие от таких инструментов, как AlphaFold, который предсказывает 3D-структуру белка на основе аминокислот, NeCLAS идет дальше.

"Он показывает, как наноструктуры будут взаимодействовать друг с другом, и не ограничивается белками. Это позволяет исследователям понять потенциальные применения наночастиц и оптимизировать их дизайн", — сказал Джейкоб Салдингер, аспирант и первый автор исследования.

Команда протестировала три тематических исследования:

1. Молекулярные пинцеты — подход, который может останавливать вредные биологические процессы, например, агрегацию белковых бляшек при таких заболеваниях мозга, как болезнь Альцгеймера.
2. Как графеновые квантовые точки разрушают биопленку, производимую стафилококком. Эти наночастицы — хлопья углерода толщиной в несколько атомных слоев и размером до 0,0001 мм. Разрушение биопленок — ключевой инструмент в борьбе с устойчивыми инфекциями, включая супербактерию MRSA.
3. Будут ли графеновые квантовые точки диспергироваться в воде, демонстрируя способность модели предсказывать связывание наночастица-наночастица, хотя она обучалась исключительно на данных белок-белок.

В то время как многие модели белок-белок устанавливают аминокислоту в качестве минимальной единицы, для наночастиц это не работает. Вместо этого команда установила размер минимального признака примерно равным размеру аминокислоты, но позволила модели решать, где проходят границы между этими признаками. Результат — представления белков и наночастиц, похожие на наборы взаимосвязанных бусин.

"Кроме большей универсальности, NeCLAS также использует гораздо меньше обучающих данных, чем AlphaFold. У нас есть только 21 наночастица для анализа, поэтому мы должны использовать белковые данные умным способом", — сказал Мэтт Рэймонд, соавтор исследования.

Далее команда намерена исследовать другие биопленки и микроорганизмы, включая вирусы.