Forskere har laget et system med «biologisk kunstig intelligens»

Australske forskere har lykkes med å utvikle et forskningssystem som bruker «biologisk kunstig intelligens» til å designe og utvikle molekyler med nye eller forbedrede funksjoner direkte i pattedyrceller. Forskerne sa at systemet representerer et kraftig nytt verktøy som kan hjelpe forskere med å utvikle mer spesifikke og effektive forskningslegemidler eller genterapier.

Systemet, kalt PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), bruker en metode som kalles «rettet evolusjon», en laboratorieteknikk som etterligner evolusjonens naturlige kraft. Men i stedet for å ta år eller tiår, fremskynder det evolusjonens og det naturlige utvalgets sykluser, og skaper molekyler med nye funksjoner på bare noen få uker.

Dette kan ha en direkte innvirkning på søket etter nye, mer effektive legemidler. Systemet kan for eksempel brukes til å forbedre genredigeringsteknologier som CRISPR for å gjøre dem mer effektive.

«Dette betyr at PROTEUS kan brukes til å generere nye molekyler som er optimalisert for å virke i kroppen vår, og vi kan lage nye legemidler som ville være vanskelige eller umulige å lage med dagens teknologi», sier medforfatter av studien, professor Greg Neely, leder av Dr. John og Anne Chong Functional Genomics Laboratory ved University of Sydney.

"Det nye ved arbeidet vårt er at rettet evolusjon hovedsakelig fungerer i bakterieceller, mens PROTEUS kan utvikle molekyler i pattedyrceller."

PROTEUS-systemet kan løse problemer med en usikker løsning – på samme måte som en bruker legger inn spørringer i en kunstig intelligens-plattform. Problemet kan for eksempel være hvordan man effektivt kan «slå av» et sykdomsgen i en persons kropp.

PROTEUS bruker deretter rettet evolusjon til å utforske millioner av mulige sekvenser som ennå ikke eksisterer i naturen, og finner molekyler med egenskaper som er svært tilpasset problemet. Dette betyr at PROTEUS kan finne løsninger som ville tatt en menneskelig forsker år å finne – hvis de i det hele tatt kunne finne dem.

Forskerne rapporterte at de ved hjelp av PROTEUS utviklet forbedrede versjoner av proteiner som er enklere å regulere med legemidler, samt nanobodies (miniversjoner av antistoffer) som kan oppdage DNA-skade, en viktig prosess som bidrar til utvikling av kreft. Men som forfatterne understreket, er ikke bruken av PROTEUS begrenset til dette: det kan brukes til å forbedre funksjonen til de fleste proteiner og molekyler.

Resultatene er publisert i Nature Communications. Forskningen ble utført ved Charles Perkins Centre ved University of Sydney i samarbeid med forskere fra Centenary Institute.

Oppdagelsen av molekylær maskinlæring

Den opprinnelige utviklingen av den regisserte evolusjonsmetoden, som først ble implementert i bakterier, ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 2018.

«Oppfinnelsen av rettet evolusjon endret biokjemiens kurs. Nå, med PROTEUS, kan vi programmere en pattedyrcelle til å løse et genetisk problem som vi ikke har noe klart svar på. Hvis vi lar systemet kjøre kontinuerlig, kan vi overvåke hvordan det løser problemet regelmessig», sa hovedforsker Dr. Christopher Denes fra Charles Perkins Centre og School of Life and Environmental Sciences.

Hovedutfordringen Denes og teamet hans sto overfor var hvordan man kunne gjøre en pattedyrcelle motstandsdyktig mot flere evolusjonssykluser og mutasjoner, samtidig som man opprettholder stabiliteten og forhindrer at systemet «jukser» ved å finne trivielle løsninger som ikke oppfyller oppgaven.

Forskerne fant en løsning ved å bruke kimære viruslignende partikler, en design bestående av det ytre skallet til ett virus og genene til et annet. Denne designen forhindret systemet fra å «jukse».

Designet kombinerte elementer fra to svært forskjellige virusfamilier, og skapte dermed «det beste fra begge verdener». Det resulterende systemet tillot celler å behandle mange forskjellige mulige løsninger parallelt, der forbedrede løsninger ble dominerende og feilaktige løsninger forsvant.

«PROTEUS er stabil, robust og har blitt validert i uavhengige laboratorier. Vi oppfordrer andre forskningsgrupper til å bruke denne metoden. Ved å bruke PROTEUS håper vi å stimulere utviklingen av en ny generasjon enzymer, molekylære verktøy og behandlinger», sa Dr. Denes.

«Vi har gjort dette systemet tilgjengelig for forskningsmiljøet og gleder oss til å se hvordan det blir brukt. Målet vårt er å forbedre genredigeringsteknologier og forfine mRNA-legemidler for mer potente og spesifikke effekter», la professor Neely til.