Kinijos mokslininkai sukūrė dirbtinio intelekto sistemą, kuri gali projektuoti baltymus vien iš paprasto tekstinio aprašymo – tarsi užtektų parašyti, ko norima, ir kompiuteris pasiūlytų molekulės „receptą“.
Sistema pavadinta „Pinal“: tyrėjai ją išbandė kurdami baltymus, kurie turėtų švytėti, ardyti PET plastiką bei padėti paversti anglies dioksidą naudingomis cheminėmis medžiagomis. Dalis laboratorinių bandymų patvirtino, kad bent kai kurie sukurti variantai veikia.
Vis dėlto rezultatai rodo ir dabartines ribas. Pavyzdžiui, iš 50 000 DI sugeneruotų švytinčio baltymo dizainų, po kompiuterinės atrankos laboratorijoje buvo patikrinta 29 – ir tik vienas iš jų iš tiesų sušvito.
Tyrimas atskleidžia, kad „aprašyk ir gauk baltymą“ idėja tampa realesnė, tačiau be kruopščios atrankos ir eksperimentų dar neapsieinama – dauguma sugeneruotų variantų gali būti netinkami arba tiesiog nepatikrinti.
Kaip veikia „Pinal“
Baltymai yra tarsi molekulinės mašinos: jie ne tik „sudaro raumenis“, bet ir katalizuoja reakcijas, perneša medžiagas ląstelėse bei atlieka daugybę kitų funkcijų.
Kiekvieną baltymą sudaro aminorūgščių grandinė, kuri susilanksto į specifinę trimatę formą. Pakeitus seką, gali pasikeisti ir funkcija – arba baltymas gali visai nebeveikti.
Tradicinis baltymų projektavimas reikalauja daug patirties ir bandymų: reikia numatyti, kokia struktūra galėtų atlikti norimą užduotį, o tada surasti seką, kuri tą struktūrą „pastatytų“.
„Pinal“ siekia sumažinti šį barjerą: pirmasis sistemos komponentas tekstinį norimos funkcijos aprašymą paverčia struktūriniu „brėžiniu“, o antrasis parenka aminorūgščių seką, kuri, tikėtina, suformuos reikiamą struktūrą.
Mokslininkai nurodo, kad modelio apmokymui buvo surinkta apie 1,7 mlrd. baltymų ir jų aprašymų porų, remtasi 135 mln. baltymų sekomis, o dalis funkcijų aprašymų sugeneruota pasitelkiant kitus DI modelius. Galutinis modelis turi 16 mlrd. parametrų.
Bandymų rezultatai: nuo švytėjimo iki plastiko ardymo
Tyrėjai „Pinal“ išbandė keturiose skirtingose baltymų kūrimo užduotyse, tikrindami, ar kompiuteriu sugeneruotos sekos gali virsti realiai veikiančiais baltymais.
Švytinčio baltymo atveju iš 50 000 sugeneruotų sekų buvo atrinkti 29 kandidatai laboratorijai, o teigiamas rezultatas gautas tik vienu atveju. Tai parodė, kad net ir turint galingą modelį dar reikia daug atrankos, o sėkmės rodikliai gali būti nedideli.
Kitoje užduotyje, susijusioje su PET plastiko ardymu, DI sugeneravo 200 000 kandidatų. Galiausiai laboratorijoje buvo patikrinti 94, ir vienas fermentas parodė gebėjimą veikti PET – per septynias dienas iš specialiai paruoštų PET plėvelių atsirado išmatuojami skilimo produktai.
Tyrėjai pabrėžia, kad tai yra katalizinės veiklos įrodymas, tačiau dar nereiškia paruoštos praktinės plastiko perdirbimo technologijos.
Be to, modelis sukūrė penkis veikiančius alkoholio dehidrogenazes – fermentus, svarbius pramoninėje chemijoje, nes padeda paversti alkoholius kitomis cheminėmis medžiagomis.
70 proc. daugiau glicino nei natūralus baltymas
Įspūdingiausias bandymas buvo susijęs su vadinamuoju H-baltymu, kuris veikia kaip mažas molekulinis „kurjeris“ – perneša cheminį „krovinį“ tarp fermentų, kad šie galėtų atlikti reakcijų seką.
Šios reakcijos gali paversti anglies dioksidą glicinu – aminorūgštimi, naudojama baltymų sintezei ir cheminių medžiagų gamybai. Tai svarbu biotechnologijų krypčiai, kur siekiama CO2 paversti žaliava, o ne vien atliekomis.
Iš 50 000 DI sugeneruotų dizainų laboratorijai atrinkta 20, iš jų penki veikė. Vienas variantas, pavadintas pinalH02, kelių fermentų laboratorinėje sistemoje padėjo pagaminti 70 proc. daugiau glicino nei natūralus H-baltymas iš E. coli.
Kompiuterinės simuliacijos leido manyti, kad DI sukurtas baltymas turi lankstesnę molekulinę „ranką“, todėl efektyviau perneša krovinį tarp fermentų. Tyrėjai taip pat pažymi, kad šis pagerėjimas pasiektas be daugkartinių ciklų „pakeisk ir vėl testuok“.
Vis dėlto autoriai pripažįsta, kad sistema dar netobula: daug sugeneruotų kandidatų lieka nepatikrinti, o net ir paprasti norai, pavyzdžiui, tiksliai nurodyti švytėjimo spalvą, vis dar gali būti sunkiai įgyvendinami.
Tyrimo rezultatai publikuoti žurnale „Nature“ ir rodo kryptį, kurioje baltymų inžinerija gali keistis iš esmės – vis dažniau mokslininkai galėtų formuluoti norimą funkciją, o DI siūlytų galimus molekulinius sprendimus, kuriuos dar reikėtų patikimai patvirtinti eksperimentiškai.