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AIが人生の秘密を解き放つ方法

分子機械。タンパク質が何であるかを定義する最も簡単で最も直接的な方法かもしれません。 無限マシン そして、筋肉の単純な収縮から、私たちの体で起こるすべてのことに絶対に依存する複雑な方法 ... 食べ物から食べ物を抽出する能力または力。そして最も魅力的なことは、その並外れた能力が基本的な能力に基づいているということです。他の分子と相互作用するときに形式を変えることです。何年もの間、人工知能が支援するタンパク質工学の初期分野で働く科学者にとって、乗り越えられない挑戦を意味していたもの。 実際、タンパク質工学は、主に「硬質」タンパク質の設計、つまり形状を変えないものに焦点を合わせていました。しかし、それは劇的に変化しました。 事実上、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者チームは、硬質タンパク質の作成に加えて、自然なカウンターパートのように制御された方法で移動して変化する他の人を設計することが可能であることを実証することにより、記念碑的な進歩を達成したばかりです。この本物の偉業は、科学の境界線を押し進めるだけでなく、前例のない経路を開いて、病気の治療、汚染の闘い、作物のパフォーマンスの向上など、異なる課題に直面することになります。 «この研究は、Bioingeniera Tanja Kortemme、掲載されたばかりの研究の上級著者です。科学' - それは、生物医学を超えて、農業と環境に向かってはるかに私たちを連れて行く道の最初のステップです。 ダイナミクスに対する剛性タンパク質の タンパク質の設計は科学にとって新しいものではありません。実際、科学者は1980年の最後の10年以来、硬質タンパク質を「製造」してきました。これらの分子は、その構造に不変であり、洗浄溶液や最近では、人工インスリン、LPG-1に基づく体重減少のための薬物療法、抗体抗体の治療などの高品質薬物の生産における最初の商用用途を見つけました。 たとえば、人工インスリンは、細胞内のインスリン受容体を結合して血糖を調節できる安定した構造を維持するように設計されたタンパク質です。同様に、がん治療に使用される治療抗体は、がん細胞の特定の標的に硬直して結合し、免疫系による破壊のためにそれらをマークするか、その成長を遮断するように設計されています。 これらの「不動の」分子は非常に重要であるが、コルテムは、依然として複雑な方法で回転、ねじれ、変換してから元の形に戻ることができるタンパク質の可能性とはほど遠い。まさに、それらを非常に強力にするのは、一定の変換の能力です。 研究者にとって、医療用途のためにエミュレートする最も重要なタンパク質は、代謝や細胞分裂などの重要な生命プロセスを調節するものです。これらの動的タンパク質は、実際、FDAによって承認された3つの薬物にほぼ1つの目的です。それらはスイッチとして機能し、セル内またはセル間の通信を容易にして、ある形状から別の形状に変更し、スイッチがライトのオンとオフの方向に似ているのと同様に、オリジナルに戻ります。明確な例は、癌の一般的な標的であるRASタンパク質であり、細胞成長シグナルを伝達するための活性状態と非アクティブな状態を交互にします。 RASが突然変異のために彼の活動状態で「立ち往生」すると、彼は制御されていない細胞分裂につながる可能性があります。 巨大な挑戦 RASと同じくらい安定した動的なタンパク質を設計することが可能になったことがあります。これは、成長を止めない計算能力と、ほんの数年前まで存在しなかった人工知能のおかげです。もちろん、挑戦は圧倒的でした。それに対処するために、Kortemmeと彼の大学院生であるAmy Guoは、一見小さなものから始めました。シンプルな天然タンパク質に新しい方法で移動する能力を提供します。このようにして、Guoはタンパク質の一部を獲得して、タンパク質が自然の中で形を変える共通のメカニズムであるカルシウムに結合できるように振動します。 「私たちは多くの状況で適用できる設計方法を考案したかった」とGuo氏は説明します。 次のステップは、タンパク質が採用できる数千の可能な方法で仮想ライブラリを生成することでした。彼は2つの安定した形式を選択しました。1つはカルシウムとそうでないカルシウムに加わることができます。次に、彼は仮想タンパク質の特定の領域に焦点を合わせて、原子がどのように相互作用したかを観察しました。パンデミックの前に始まった作業は、人工知能プログラムの到着とともに大幅に加速しました alphafold2。 Guoはそれを使用して、彼のタンパク質のモバイル部分を曲げて捕獲したカルシウムを作り、それをまっすぐに放出しました。 生物学のパラダイムシフト DeepMind（Alphabet子会社）によって開発されたAlphafold2は、構造生物学に革命をもたらしたAIツールです。アミノ酸配列からタンパク質の3D構造を数分でほぼ実験的な精度で予測する能力は、以前は長年の高価で骨の折れる研究室の仕事が必要であり、根本的な変化を意味していました。このツールは、実際には、科学者が個々のタンパク質がどのように機能し、他の分子とどのように相互作用するかをよりよく理解できるようになりました。 記事の著者にとって、Alphafold2は、Guoによって設計されたタンパク質がその異なる立体構造を採用する方法をシミュレートして予測するために不可欠でした。真実の瞬間は、研究者がコンピューターシミュレーションでモデルをテストしたときに来ました。彼らは、核磁気共鳴（NMR）を使用してタンパク質の原子を視覚化するカリフォルニア大学の製薬化学者であるマーク・ケリーと協力しました。この手法により、科学者は原子レベルでの分子の構造と動きを「見る」ことができます。 「シミュレーションが私たちが期待した方法を正確に示したことを驚かせました」とグオは言います。それは、これが本物であり、私たちが本当にそれを達成したという自信を与えてくれました。高度な実験技術によって検証されたシミュレーションの成功により、そのアプローチの可能性が確認されました。 本当の革命 この進歩の意味は膨大です。医療分野でのみ、運動能力を持つ設計タンパク質は、疾患シグナルに応答して変化するバイオセンサーで使用でき、早期アラートを活性化できます。たとえば、がんや感染症の存在を示す特定の血液分子を検出するように設計され、形状を変えて、疾患に警告する光または電気信号を発します。 また、副作用を最小限に抑える真に個別化された医療への扉を開いて、各人のユニークな身体化学と機能するように適応した薬用タンパク質として使用することもできます。 しかし、薬が唯一のアプリケーションではありません。それを超えて、形を変えることができるこれらのタンパク質は、環境および農業のタスクのために設計できます。たとえば、プラスチックを分解し、成長する汚染危機に対する革新的なソリューションを提供することができます。すでに特定のプラスチックを分解できる天然酵素がありますが、AIを使用してより効率的で堅牢なバージョンを設計すると、プロセスを工業規模に加速できます。 農業では、これらのタンパク質は、植物が干ばつや害虫などの気候関連ストレスに抵抗するのに役立ちます。たとえば、特別に設計されたタンパク質は、水の不足を感じ、形状を変化させて、植物が水を保存したり、干ばつ損傷から保護する化合物を生産するのに役立つ遺伝子を活性化することができます。また、自分の亀裂を「聞こえる」金属など、割れたときに自分自身を修復する材料を作成するためにも使用できます。言い換えれば、建設部門から航空宇宙に至るまで、「脚を登る」産業を置くことができる革命です。 「可能性は本当に無限です」とエイミー・グオは言います。この進歩は、タンパク質エンジニアリングと人工知能の力の証言であるだけでなく、自然が最高の教師であることを思い出させてくれます。そこから学ぶことで、私たちの時代の最も差し迫った課題のために革新的なソリューションのロックを解除できます。動的タンパク質の時代は始まり、それに伴い、私たちが想像し始めたばかりの発見とアプリケーションの未来»。 #AIが人生の秘密を解き放つ方法