Ученые используют ИИ для разработки жизненных ферментов с нуля

Исследователи использовали искусственный интеллект (ИИ) для разработки совершенно новых ферментов, которые могут проходить многоэтапные реакции, ключевую особенность естественных ферментов. Структуры, которые они сделали, ускорили четырехступенчатую химическую реакцию, ключевую ко многим биологическим и промышленным процессам, включая переработку пластика.

«Это веха в инженерии ферментов»,-говорит Хуимин Чжао, синтетический биолог из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн. «[It] Показывает, что теперь можно спроектировать ферменты с нативной активностью, которая может сделать их полезными практически ».

Более ранние усилия по разработке ферментов с нуля с использованием ИИ имели ограниченный успех, часто производящие те, которые останавливаются после первого этапа реакции. В последнем исследовании опубликовано в Наука 13 февраля¹Исследователи преодолели эту проблему, объединив несколько подходов к машинному обучению. Новые ферменты были в 60 000 раз лучше при ускорении реакции, чем ранее предназначенные для работы аналогичным образом.

Пошив ферменты

Более ранние усилия были сосредоточены на настройке структур существующих ферментов, чтобы создать новые, которые работают быстрее или имеют разные функции. Но этот подход затрудняет создание эффективных ферментов, способных к многоэтапным реакциям.

«Это все равно, что ходить в благотворительный магазин и покупать костюм, и этот костюм, вероятно, не подходит вам. Вот что происходит, когда мы пытаемся проектировать ферменты таким образом »,-говорит соавтор исследования Анна Лауко, дизайнер белка в Вашингтонском университете в Сиэтле.

ИИ придумал метель новых белков. Кто -нибудь из них действительно работает?

Лауко и ее коллеги хотели построить ферменты, которые могут подвергаться четырехэтапной химической реакции, называемой сериновым гидролизом, который включает в себя нарушение эфирной связи между молекулами. Серин -гидролазы — это природные ферменты, которые выполняют эту реакцию, и они участвуют во многих биологических процессах, включая пищеварение, метаболизирующие жиры и свертывание крови.

Исследователи начали с инструмента AI под названием Rfdiffusion, программы, которую они ранее разработали для создания новых ферментных структур с нуля²Полем Затем они создали глубокую нейронную сеть, называемую Placer, чтобы уточнить структурную конструкцию, моделируя местоположения атомов в ферменте и молекулы, с которыми он связывается на каждом этапе реакции. Этот ИИ работает как «фильтр», говорит Зу: он проверяет, совместимы ли активные участки фермента — части, которые взаимодействуют с молекулами, — совместимы и правильно выполнены для выполнения каждого этапа реакции. Это «очень инновационно», говорит Чжао.