Dizajniranje proteina na temelju njihovog kretanja
- Objavljeno u Znanost
Proteini su puno više od hranjivih tvari koje pratimo na deklaraciji hrane. Prisutni su u svakoj stanici našeg tijela i rade poput prirodnih molekularnih strojeva. Hodaju, istežu se, savijaju i naprežu kako bi obavljali svoje poslove, pumpaju krv, bore se protiv bolesti, grade tkivo i obavljaju mnoge druge poslove premalene za oko. Njihova snaga ne dolazi samo od oblika, već i od načina na koji se kreću.
Posljednjih godina, umjetna inteligencija omogućila je znanstvenicima da dizajniraju potpuno nove proteinske strukture koje se ne nalaze u prirodi, prilagođene specifičnim funkcijama, poput vezanja na viruse ili oponašanja mehaničkih svojstava svile za održive materijale.
Ali dizajniranje samo za strukturu je kao izgradnja karoserije automobila bez ikakve kontrole nad radom motora. Suptilne vibracije, pomaci i mehanička dinamika proteina jednako su važni za njegove funkcije kao i njegov oblik.
Sada su inženjeri s MIT-a napravili veliki korak prema smanjenju jaza razvojem AI modela poznatog kao VibeGen. Ako vibriranje omogućuje programerima da opišu što žele, a zatim AI generira softver, VibeGen čini isto za žive molekule: određuje vibriranje, uzorak kretanja koji želite, a model zapisuje protein.
Novi model omogućuje znanstvenicima da ciljaju kako se protein savija, vibrira i mijenja oblike kao odgovor na okolinu, otvarajući novu granicu u dizajnu molekularne mehanike.
"Bit života na temeljnim molekularnim razinama ne leži samo u strukturi, već u kretanju", kaže Markus Buehler, profesor inženjerstva na katedri za građevinarstvo i okoliš te strojarstvo na katedri Jerryja McAfeeja. „Sve, od savijanja proteina do deformacije materijala pod stresom, slijedi temeljne zakone fizike.“
Buehler i njegov bivši postdoktorand, Bo Ni, prepoznali su kritičnu potrebu za onim što nazivaju umjetnom inteligencijom svjesnom fizike: sustavi sposobni za rasuđivanje o kretanju, a ne samo o snimkama molekularne strukture. „Umjetna inteligencija mora ići dalje od analize statičkih oblika do razumijevanja kako su struktura i kretanje temeljno isprepleteni“, dodaje Buehler.
Novi pristup, opisan u radu objavljenom 24. ožujka u časopisu Matter, koristi generativnu umjetnu inteligenciju za stvaranje proteina s prilagođenom dinamikom.
VibeGen radi nešto što nijedan alat za dizajn proteina prije nije učinio. Invertira tradicionalni problem. Umjesto da pita: „Koji će oblik proizvesti ovaj niz?“, on pita: „Koji će niz natjerati protein da se kreće upravo na ovaj način?“
Kako bi izgradili VibeGen, Buehler i Ni okrenuli su se klasi AI difuzijskih modela, istoj temeljnoj tehnologiji koja pokreće AI generatore slika sposobne za stvaranje realističnih slika iz čistog šuma. U VibeGenovom slučaju, model počinje sa slučajnim nizom aminokiselina i pročišćava ga, korak po korak, sve dok ne konvergira prema nizu za koji se predviđa da će vibrirati i savijati se na ciljani način.
Sustav radi putem dvaju surađujućih agenata koji dizajniraju i međusobno se izazivaju. „Dizajner“ predlaže kandidatske sekvence usmjerene na ciljani profil gibanja. „Prediktor“ procjenjuje te kandidate, pitajući hoće li se oni zapravo kretati onako kako je dizajner zamislio. Dva modela iteriraju naprijed-natrag poput unutarnjeg dijaloga, sve dok se dizajn ne stabilizira u nešto što ispunjava cilj. Određivanjem ovog vibracijskog otiska kao ulaza za dizajn, VibeGen invertira uobičajenu logiku: dinamika postaje nacrt, a struktura slijedi.
Većina sekvenci koje VibeGen proizvodi su u potpunosti nove, nisu posuđene iz prirode, nisu varijacije nečega što je evolucija već stvorila. Kako bi potvrdili da dizajni doista funkcioniraju, tim je proveo detaljne molekularne simulacije temeljene na fizici, a proteini su se ponašali točno kako je predviđeno, savijajući se i vibrirajući u obrascima koje je VibeGen ciljao.
Jedan od najupečatljivijih nalaza studije jest da mnogi različiti proteinski nizovi i nabori mogu zadovoljiti isti vibracijski cilj, svojstvo koje istraživači nazivaju funkcionalnom degeneracijom. Tamo gdje se evolucija usredotočila na jedno rješenje, VibeGen otkriva cijelu obitelj alternativa: proteine s različitim strukturama i nizovima koji se ipak kreću na isti način.
Buehler predviđa konstrukcijske materijale za zgrade ili vozila koji uključuju komponente na bazi proteina koje se same obnavljaju nakon mehaničkog naprezanja ili se prilagođavaju kao odgovor na veliko opterećenje.
Istraživači planiraju dodatno poboljšati model i validirati svoje dizajne u laboratoriju. Također se nadaju integrirati dizajn svjestan kretanja s drugim alatima umjetne inteligencije, gradeći prema sustavima koji mogu dizajnirati proteine ne samo da budu dinamični, već i multifunkcionalni.
Strojevi koji osjećaju svoju okolinu, reagiraju na signale i prilagođavaju se u stvarnom vremenu.