Para saintis telah mencipta sistem "kecerdasan buatan biologi"

Para saintis Australia telah berjaya membangunkan sistem penyelidikan yang menggunakan "kecerdasan buatan biologi" untuk mereka bentuk dan mengembangkan molekul dengan fungsi baharu atau bertambah baik secara langsung dalam sel mamalia. Para penyelidik berkata sistem itu mewakili alat baharu yang berkuasa yang boleh membantu saintis membangunkan ubat penyelidikan atau terapi gen yang lebih spesifik dan berkesan.

Sistem yang dipanggil PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), menggunakan kaedah yang dipanggil "evolusi terarah," teknik makmal yang meniru daya semula jadi evolusi. Tetapi bukannya mengambil masa bertahun-tahun atau dekad, ia mempercepatkan kitaran evolusi dan pemilihan semula jadi, mencipta molekul dengan fungsi baharu dalam beberapa minggu sahaja.

Ini boleh memberi kesan langsung kepada pencarian ubat baru yang lebih berkesan. Sebagai contoh, sistem ini boleh digunakan untuk menambah baik teknologi penyuntingan gen seperti CRISPR untuk menjadikannya lebih berkesan.

"Ini bermakna PROTEUS boleh digunakan untuk menjana molekul baharu yang dioptimumkan untuk bekerja di dalam badan kita, dan kita boleh mencipta ubat baharu yang sukar atau mustahil untuk dicipta menggunakan teknologi semasa," kata pengarang bersama kajian Profesor Greg Neely, ketua Makmal Genomik Fungsian Dr John dan Anne Chong di Universiti Sydney.

"Kebaharuan kerja kami ialah evolusi terarah terutamanya berfungsi dalam sel bakteria, manakala PROTEUS boleh mengembangkan molekul dalam sel mamalia."

Sistem PROTEUS boleh menyelesaikan masalah dengan penyelesaian yang tidak pasti - sama seperti cara pengguna memasukkan pertanyaan ke dalam platform kecerdasan buatan. Sebagai contoh, masalahnya mungkin bagaimana untuk "mematikan" gen penyakit dalam badan seseorang dengan berkesan.

PROTEUS kemudian menggunakan evolusi terarah untuk meneroka berjuta-juta kemungkinan jujukan yang belum wujud dalam alam semula jadi, dan mencari molekul dengan sifat yang sangat disesuaikan dengan masalah itu. Ini bermakna PROTEUS boleh mencari penyelesaian yang memerlukan bertahun-tahun penyelidik manusia untuk mencari — jika mereka boleh menemuinya sama sekali.

Para saintis melaporkan bahawa dengan bantuan PROTEUS, mereka membangunkan versi protein yang lebih baik yang lebih mudah dikawal dengan ubat-ubatan, serta nanobodies (versi mini antibodi) yang boleh mengesan kerosakan DNA, satu proses penting yang menyumbang kepada perkembangan kanser. Walau bagaimanapun, seperti yang ditekankan oleh penulis, penggunaan PROTEUS tidak terhad kepada ini: ia boleh digunakan untuk meningkatkan fungsi kebanyakan protein dan molekul.

Hasilnya diterbitkan dalam Nature Communications. Penyelidikan itu dijalankan di Pusat Charles Perkins di Universiti Sydney dengan kerjasama penyelidik dari Institut Centenary.

Penemuan pembelajaran mesin molekul

Perkembangan asal kaedah evolusi terarah, yang pertama kali dilaksanakan dalam bakteria, telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Kimia pada 2018.

"Penciptaan evolusi terarah mengubah perjalanan biokimia. Kini, dengan PROTEUS, kita boleh memprogramkan sel mamalia untuk menyelesaikan masalah genetik yang kita tidak mempunyai jawapan sedia ada. Jika kita membiarkan sistem berjalan secara berterusan, kita boleh memantau cara ia menyelesaikan masalah secara tetap," kata ketua penyelidik Dr Christopher Denes, dari Pusat Charles Perkins dan Pusat Pengajian Sains Kehidupan dan Alam Sekitar.

Cabaran utama yang Denes dan pasukannya hadapi ialah cara menjadikan sel mamalia berdaya tahan terhadap pelbagai kitaran evolusi dan mutasi sambil mengekalkan kestabilannya dan menghalang sistem daripada "menipu" dengan mencari penyelesaian remeh yang tidak memenuhi tugas yang sedang diuruskan.

Para saintis menemui penyelesaian dalam menggunakan zarah seperti virus chimeric, reka bentuk yang terdiri daripada kulit luar satu virus dan gen yang lain. Reka bentuk ini menghalang sistem daripada "menipu."

Reka bentuk itu menggabungkan elemen dua keluarga virus yang sangat berbeza, mencipta "yang terbaik dari kedua-dua dunia." Sistem yang terhasil membenarkan sel memproses banyak kemungkinan penyelesaian yang berbeza secara selari, dengan penyelesaian yang lebih baik menjadi dominan dan penyelesaian yang salah hilang.

"PROTEUS adalah stabil, teguh dan telah disahkan dalam makmal bebas. Kami menggalakkan kumpulan penyelidik lain menggunakan kaedah ini. Dengan menggunakan PROTEUS, kami berharap dapat merangsang pembangunan enzim, alat molekul dan terapeutik generasi baru," kata Dr Denes.

"Kami telah menjadikan sistem ini terbuka kepada komuniti penyelidikan dan tidak sabar untuk melihat cara ia digunakan. Matlamat kami adalah untuk meningkatkan teknologi penyuntingan gen dan memperhalusi ubat mRNA untuk kesan yang lebih kuat dan khusus," tambah Profesor Neely.