Forskare har skapat ett system av "biologisk artificiell intelligens"

Australiska forskare har framgångsrikt utvecklat ett forskningssystem som använder "biologisk artificiell intelligens" för att designa och utveckla molekyler med nya eller förbättrade funktioner direkt i däggdjursceller. Forskarna säger att systemet representerar ett kraftfullt nytt verktyg som kan hjälpa forskare att utveckla mer specifika och effektiva forskningsläkemedel eller genterapier.

Systemet, som kallas PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), använder en metod som kallas "riktad evolution", en laboratorieteknik som härmar evolutionens naturliga kraft. Men istället för att ta år eller årtionden, påskyndar det evolutionens och det naturliga urvalets cykler och skapar molekyler med nya funktioner på bara några veckor.

Detta skulle kunna ha en direkt inverkan på sökandet efter nya, mer effektiva läkemedel. Systemet skulle till exempel kunna användas för att förbättra genredigeringstekniker som CRISPR för att göra dem mer effektiva.

”Detta innebär att PROTEUS kan användas för att generera nya molekyler som är optimerade för att fungera i våra kroppar, och vi kan skapa nya läkemedel som skulle vara svåra eller omöjliga att skapa med dagens teknik”, säger studiens medförfattare professor Greg Neely, chef för Dr John och Anne Chong Functional Genomics Laboratory vid University of Sydney.

"Det nya med vårt arbete är att riktad evolution huvudsakligen fungerar i bakterieceller, medan PROTEUS kan utveckla molekyler i däggdjursceller."

PROTEUS-systemet kan lösa problem med en osäker lösning – ungefär som hur en användare matar in frågor i en plattform för artificiell intelligens. Problemet kan till exempel vara hur man effektivt "stänger av" en sjukdomsgen i en persons kropp.

PROTEUS använder sedan riktad evolution för att utforska miljontals möjliga sekvenser som ännu inte existerar i naturen, och hittar molekyler med egenskaper som är starkt anpassade till problemet. Det betyder att PROTEUS kan hitta lösningar som det skulle ta en mänsklig forskare år att hitta – om de ens kunde hitta dem.

Forskarna rapporterade att de med hjälp av PROTEUS utvecklade förbättrade versioner av proteiner som är lättare att reglera med läkemedel, samt nanokroppar (miniversioner av antikroppar) som kan upptäcka DNA-skador, en viktig process som bidrar till utvecklingen av cancer. Men som författarna betonade är tillämpningen av PROTEUS inte begränsad till detta: det kan användas för att förbättra funktionen hos de flesta proteiner och molekyler.

Resultaten publiceras i Nature Communications. Forskningen genomfördes vid Charles Perkins Centre vid University of Sydney i samarbete med forskare från Centenary Institute.

Upptäckten av molekylär maskininlärning

Den ursprungliga utvecklingen av den riktade evolutionsmetoden, som först implementerades i bakterier, tilldelades Nobelpriset i kemi 2018.

”Uppfinningen av riktad evolution förändrade biokemins inriktning. Nu, med PROTEUS, kan vi programmera en däggdjurscell att lösa ett genetiskt problem som vi inte har något färdigt svar på. Om vi låter systemet köras kontinuerligt kan vi regelbundet övervaka hur det löser problemet”, säger huvudforskaren Dr Christopher Denes, från Charles Perkins Centre och School of Life and Environmental Sciences.

Den största utmaningen som Denes och hans team stod inför var hur man skulle göra en däggdjurscell motståndskraftig mot flera evolutionscykler och mutationer, samtidigt som man bibehåller sin stabilitet och förhindrar att systemet "fuskar" genom att hitta triviala lösningar som inte uppfyller den aktuella uppgiften.

Forskarna fann en lösning genom att använda chimära virusliknande partiklar, en design bestående av det yttre skalet från ett virus och generna från ett annat. Denna design förhindrade systemet från att "fuska".

Designen kombinerade element från två väldigt olika virusfamiljer, vilket skapade "det bästa av två världar". Det resulterande systemet gjorde det möjligt för celler att bearbeta många olika möjliga lösningar parallellt, där förbättrade lösningar blev dominerande och felaktiga försvann.

”PROTEUS är stabil, robust och har validerats i oberoende laboratorier. Vi uppmuntrar andra forskargrupper att använda den här metoden. Genom att använda PROTEUS hoppas vi kunna stimulera utvecklingen av en ny generation av enzymer, molekylära verktyg och behandlingar”, säger Dr. Denes.

”Vi har gjort det här systemet tillgängligt för forskarsamhället och ser fram emot att se hur det används. Vårt mål är att förbättra genredigeringstekniker och förfina mRNA-läkemedel för mer potenta och specifika effekter”, tillade professor Neely.