Teadlased on loonud "bioloogilise tehisintellekti" süsteemi

Austraalia teadlased on edukalt välja töötanud uurimissüsteemi, mis kasutab "bioloogilist tehisintellekti" uute või täiustatud funktsioonidega molekulide kujundamiseks ja arendamiseks otse imetajarakkudes. Teadlaste sõnul kujutab süsteem endast võimast uut tööriista, mis aitaks teadlastel välja töötada spetsiifilisemaid ja tõhusamaid uurimisravimeid või geeniteraapiaid.

Süsteem nimega PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection) kasutab meetodit nimega „suunatud evolutsioon“ – laboritehnikat, mis jäljendab evolutsiooni loomulikku jõudu. Kuid aastate või aastakümnete asemel kiirendab see evolutsiooni ja loodusliku valiku tsükleid, luues uute funktsioonidega molekule vaid mõne nädalaga.

See võib otseselt mõjutada uute ja tõhusamate ravimite otsinguid. Näiteks saaks süsteemi kasutada geenide redigeerimise tehnoloogiate, näiteks CRISPRi, täiustamiseks, et muuta need tõhusamaks.

„See tähendab, et PROTEUSi saab kasutada uute molekulide loomiseks, mis on optimeeritud meie kehas toimima, ja me saame luua uusi ravimeid, mida oleks praeguse tehnoloogia abil keeruline või võimatu luua,“ ütleb uuringu kaasautor professor Greg Neely, Sydney ülikooli dr John ja Anne Chongi funktsionaalse genoomika labori juhataja.

"Meie töö uudsus seisneb selles, et suunatud evolutsioon toimib peamiselt bakterirakkudes, samas kui PROTEUS suudab molekule arendada imetajarakkudes."

PROTEUS-süsteem suudab lahendada probleeme, mille lahendus on ebakindel – sarnaselt sellele, kuidas kasutaja sisestab päringuid tehisintellekti platvormile. Näiteks võib probleemiks olla see, kuidas inimese kehas haigusgeeni tõhusalt "välja lülitada".

Seejärel kasutab PROTEUS suunatud evolutsiooni, et uurida miljoneid võimalikke järjestusi, mida looduses veel ei eksisteeri, ja leiab molekule, mille omadused on probleemiga väga hästi kohandatud. See tähendab, et PROTEUS suudab leida lahendusi, mille leidmine võtaks inimteadlasel aastaid – kui nad neid üldse leiaksid.

Teadlased teatasid, et PROTEUSe abil arendasid nad välja valkude täiustatud versioone, mida on ravimitega lihtsam reguleerida, ning nanobodysid (antikehade miniversioonid), mis suudavad tuvastada DNA kahjustusi, mis on oluline protsess, mis aitab kaasa vähi tekkele. Nagu autorid aga rõhutasid, ei piirdu PROTEUSe rakendamine sellega: seda saab kasutada enamiku valkude ja molekulide funktsiooni parandamiseks.

Tulemused avaldati ajakirjas Nature Communications. Uuring viidi läbi Sydney ülikooli Charles Perkinsi keskuses koostöös Centenary Instituudi teadlastega.

Molekulaarse masinõppe avastamine

Suunatud evolutsiooni meetodi algne väljatöötamine, mida esmakordselt rakendati bakterites, pälvis 2018. aastal Nobeli keemiapreemia.

„Suunatud evolutsiooni leiutamine muutis biokeemia suunda. Nüüd saame PROTEUSe abil programmeerida imetajarakku lahendama geneetilist probleemi, millele meil pole valmis vastust. Kui laseme süsteemil pidevalt töötada, saame regulaarselt jälgida, kuidas see probleemi lahendab,“ ütles juhtivteadur dr Christopher Denes Charles Perkinsi keskusest ja Elu- ja Keskkonnateaduste Koolist.

Peamine väljakutse, millega Denes ja tema meeskond silmitsi seisid, oli see, kuidas muuta imetajarakk vastupidavaks mitmetele evolutsioonitsüklitele ja mutatsioonidele, säilitades samal ajal selle stabiilsuse ja takistades süsteemil "petta", leides triviaalseid lahendusi, mis ei vasta käesolevale ülesandele.

Teadlased leidsid lahenduse kimäärsete viiruselaadsete osakeste kasutamises – konstruktsioonis, mis koosneb ühe viiruse väliskestast ja teise viiruse geenidest. See disain takistas süsteemil „petmist“.

See disain ühendas kahe väga erineva viirusperekonna elemente, luues „mõlema maailma parima“. Saadud süsteem võimaldas rakkudel paralleelselt töödelda paljusid erinevaid võimalikke lahendusi, kusjuures paremad lahendused muutusid domineerivaks ja valed kadusid.

„PROTEUS on stabiilne, vastupidav ja sõltumatutes laborites valideeritud. Julgustame ka teisi uurimisrühmi seda meetodit kasutama. PROTEUSi kasutades loodame stimuleerida uue põlvkonna ensüümide, molekulaarsete tööriistade ja ravimite väljatöötamist,“ ütles dr Denes.

„Oleme selle süsteemi teadlaskogukonnale avatuks teinud ja ootame põnevusega, kuidas seda kasutatakse. Meie eesmärk on täiustada geenide redigeerimise tehnoloogiaid ja täiustada mRNA-ravimeid tugevamate ja spetsiifilisemate efektide saavutamiseks,“ lisas professor Neely.