Επιστήμονες δημιούργησαν ένα σύστημα «βιολογικής τεχνητής νοημοσύνης»

Αυστραλοί επιστήμονες ανέπτυξαν με επιτυχία ένα ερευνητικό σύστημα που χρησιμοποιεί «βιολογική τεχνητή νοημοσύνη» για να σχεδιάζει και να εξελίσσει μόρια με νέες ή βελτιωμένες λειτουργίες απευθείας σε κύτταρα θηλαστικών. Οι ερευνητές δήλωσαν ότι το σύστημα αντιπροσωπεύει ένα ισχυρό νέο εργαλείο που θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν πιο συγκεκριμένα και αποτελεσματικά ερευνητικά φάρμακα ή γονιδιακές θεραπείες.

Το σύστημα, που ονομάζεται PROTEUS (ProTein Evolution Using Selection), χρησιμοποιεί μια μέθοδο που ονομάζεται «κατευθυνόμενη εξέλιξη», μια εργαστηριακή τεχνική που μιμείται τη φυσική δύναμη της εξέλιξης. Αλλά αντί να διαρκέσει χρόνια ή δεκαετίες, επιταχύνει τους κύκλους της εξέλιξης και της φυσικής επιλογής, δημιουργώντας μόρια με νέες λειτουργίες σε λίγες μόνο εβδομάδες.

Αυτό θα μπορούσε να έχει άμεσο αντίκτυπο στην αναζήτηση νέων, πιο αποτελεσματικών φαρμάκων. Για παράδειγμα, το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση τεχνολογιών επεξεργασίας γονιδίων, όπως το CRISPR, ώστε να γίνουν πιο αποτελεσματικές.

«Αυτό σημαίνει ότι το PROTEUS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων μορίων που είναι βελτιστοποιημένα ώστε να λειτουργούν στο σώμα μας και μπορούμε να δημιουργήσουμε νέα φάρμακα που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο να δημιουργηθούν με την τρέχουσα τεχνολογία», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης καθηγητής Greg Neely, επικεφαλής του Εργαστηρίου Λειτουργικής Γονιδιωματικής Dr John και Anne Chong στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.

«Η καινοτομία της εργασίας μας είναι ότι η κατευθυνόμενη εξέλιξη λειτουργεί κυρίως σε βακτηριακά κύτταρα, ενώ το PROTEUS μπορεί να εξελίξει μόρια σε κύτταρα θηλαστικών».

Το σύστημα PROTEUS μπορεί να λύσει προβλήματα με αβέβαιη λύση - παρόμοια με τον τρόπο που ένας χρήστης εισάγει ερωτήματα σε μια πλατφόρμα τεχνητής νοημοσύνης. Για παράδειγμα, το πρόβλημα μπορεί να είναι ο τρόπος αποτελεσματικής «απενεργοποίησης» ενός γονιδίου ασθένειας στο σώμα ενός ατόμου.

Στη συνέχεια, το PROTEUS χρησιμοποιεί την κατευθυνόμενη εξέλιξη για να εξερευνήσει εκατομμύρια πιθανές αλληλουχίες που δεν υπάρχουν ακόμη στη φύση και βρίσκει μόρια με ιδιότητες που είναι ιδιαίτερα προσαρμοσμένες στο πρόβλημα. Αυτό σημαίνει ότι το PROTEUS μπορεί να βρει λύσεις που θα χρειάζονταν χρόνια για να τις βρει ένας ανθρώπινος ερευνητής — αν μπορούσε καν να τις βρει.

Οι επιστήμονες ανέφεραν ότι με τη βοήθεια του PROTEUS, ανέπτυξαν βελτιωμένες εκδοχές πρωτεϊνών που ρυθμίζονται ευκολότερα με φάρμακα, καθώς και νανοσώματα (μίνι-εκδοχές αντισωμάτων) που μπορούν να ανιχνεύσουν βλάβες στο DNA, μια σημαντική διαδικασία που συμβάλλει στην ανάπτυξη καρκίνου. Ωστόσο, όπως τόνισαν οι συγγραφείς, η εφαρμογή του PROTEUS δεν περιορίζεται σε αυτό: μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της λειτουργίας των περισσότερων πρωτεϊνών και μορίων.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο Nature Communications. Η έρευνα διεξήχθη στο Κέντρο Charles Perkins στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ σε συνεργασία με ερευνητές του Ινστιτούτου Centenary.

Η ανακάλυψη της μοριακής μηχανικής μάθησης

Η αρχική ανάπτυξη της μεθόδου κατευθυνόμενης εξέλιξης, η οποία εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε βακτήρια, τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2018.

«Η εφεύρεση της κατευθυνόμενης εξέλιξης άλλαξε την πορεία της βιοχημείας. Τώρα, με το PROTEUS, μπορούμε να προγραμματίσουμε ένα κύτταρο θηλαστικού για να λύσει ένα γενετικό πρόβλημα για το οποίο δεν έχουμε έτοιμη απάντηση. Αν αφήσουμε το σύστημα να λειτουργεί συνεχώς, μπορούμε να παρακολουθούμε πώς λύνει το πρόβλημα σε τακτική βάση», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Δρ Κρίστοφερ Ντενές, από το Κέντρο Charles Perkins και τη Σχολή Επιστημών Ζωής και Περιβάλλοντος.

Η κύρια πρόκληση που αντιμετώπισε ο Ντενές και η ομάδα του ήταν πώς να καταστήσουν ένα κύτταρο θηλαστικού ανθεκτικό σε πολλαπλούς κύκλους εξέλιξης και μεταλλάξεων, διατηρώντας παράλληλα τη σταθερότητά του και εμποδίζοντας το σύστημα να «εξαπατήσει» βρίσκοντας ασήμαντες λύσεις που δεν ανταποκρίνονται στο συγκεκριμένο έργο.

Οι επιστήμονες βρήκαν μια λύση χρησιμοποιώντας χιμαιρικά σωματίδια που μοιάζουν με ιούς, ένα σχέδιο που αποτελείται από το εξωτερικό κέλυφος ενός ιού και τα γονίδια ενός άλλου. Αυτός ο σχεδιασμός εμπόδισε το σύστημα να «εξαπατήσει».

Ο σχεδιασμός συνδύαζε στοιχεία από δύο πολύ διαφορετικές οικογένειες ιών, δημιουργώντας το «καλύτερο και των δύο κόσμων». Το προκύπτον σύστημα επέτρεψε στα κύτταρα να επεξεργάζονται πολλές διαφορετικές πιθανές λύσεις παράλληλα, με τις βελτιωμένες λύσεις να γίνονται κυρίαρχες και τις λανθασμένες να εξαφανίζονται.

«Το PROTEUS είναι σταθερό, εύρωστο και έχει επικυρωθεί σε ανεξάρτητα εργαστήρια. Ενθαρρύνουμε και άλλες ερευνητικές ομάδες να χρησιμοποιήσουν αυτήν τη μέθοδο. Χρησιμοποιώντας το PROTEUS, ελπίζουμε να τονώσουμε την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς ενζύμων, μοριακών εργαλείων και θεραπευτικών», δήλωσε ο Δρ. Denes.

«Έχουμε καταστήσει αυτό το σύστημα ανοιχτό στην ερευνητική κοινότητα και ανυπομονούμε να δούμε πώς θα χρησιμοποιηθεί. Στόχος μας είναι να βελτιώσουμε τις τεχνολογίες επεξεργασίας γονιδίων και να βελτιώσουμε τα φάρμακα mRNA για πιο ισχυρά και συγκεκριμένα αποτελέσματα», πρόσθεσε ο καθηγητής Neely.