Искусственный дизайн белков стал возможен благодаря прогнозированию на молекулярном уровне
Целенаправленное конструирование искусственных белков с уникальными свойствами стало возможным с помощью нового метода, разработанного группой исследователей под руководством профессора Доминика Ниопека из Института фармации и молекулярной биотехнологии (IPMB) Гейдельбергского университета.
В основе метода лежит новая AI-модель. Она позволяет прогнозировать, как два белка должны быть соединены на молекулярном уровне из отдельных частей — субъединиц (доменов) — для создания функционального, регулируемого нового белка. Этот инструмент с открытым исходным кодом, названный ProDomino (Protein Domain Insertion Optimizer), открывает множество возможных применений в биотехнологии и медицине.
Исследование опубликовано в журнале Nature Methods.
Принцип работы и вдохновение природой
На клеточном уровне белки управляют жизненно важными процессами, такими как получение энергии или репликация генетического материала, и их часто называют «молекулярными машинами» клетки. Они состоят из связанных субъединиц, известных как домены.
«Подобно компонентам технического устройства, эти домены выполняют определенные функции. Например, они позволяют белкам распознавать внешние сигналы, такие как свет или температура, или катализировать химические реакции», — подчеркивает профессор Ниопек.
Новые белки в природе часто возникают в результате соединения существующих доменов в новых комбинациях. Вдохновившись этими эволюционными процессами, команда разработала AI-модель для искусственной рекомбинации белковых доменов.
Данные для обучения модели
Для разработки и оптимизации сложных компьютерных моделей необходимы обширные и качественные наборы данных.
«С помощью автоматизированного анализа огромных белковых баз данных нам удалось создать специальный набор данных, содержащий более 100 000 белков. Он отражает огромное разнообразие естественных комбинаций доменов и стал центральной основой для обучения нашей AI-модели», — говорит Бенедикт Вольф, докторант в группе профессора Ниопека.
Применение ProDomino
ProDomino может прогнозировать, какие белковые домены — подобно костяшкам домино — должны быть соединены, чтобы создать слитый белок с новыми свойствами.
С помощью ProDomino, например, можно комбинировать белковые сенсоры, реагирующие на такие стимулы, как свет или химические вещества, с эффекторными белками для управления клеточными процессами. В результате гейдельбергским ученым удалось соединить хемочувствительные домены с «генетическими ножницами» CRISPR-Cas, создав таким образом искусственные варианты CRISPR-Cas.
«Эти гибридные белки можно целенаправленно включать или выключать, что может значительно повысить безопасность современных процедур редактирования генома», — объясняет д-р Ян Матони, руководитель группы в отделе профессора Ниопека.
Исследователи успешно протестировали свою AI-модель на различных белках и предоставили программное обеспечение ученым в качестве инструмента с открытым исходным кодом.
Перспективы
«Наша AI-модель позволяет создавать искусственные белки не только проще, но и более целенаправленно, чем раньше. Это открывает новые возможности для повышения точности белковых приложений в биотехнологии и медицине или, возможно, разработки совершенно новых терапевтических подходов», — говорит профессор Ниопек.