Tutkijat ovat luoneet "biologisen tekoälyn" järjestelmän

Australialaiset tiedemiehet ovat onnistuneesti kehittäneet tutkimusjärjestelmän, joka käyttää "biologista tekoälyä" suunnitellakseen ja kehittääkseen uusia tai parannettuja toimintoja omaavia molekyylejä suoraan nisäkässoluissa. Tutkijoiden mukaan järjestelmä edustaa tehokasta uutta työkalua, joka voisi auttaa tiedemiehiä kehittämään tarkempia ja tehokkaampia tutkimuslääkkeitä tai geeniterapioita.

PROTEUS-niminen järjestelmä (PROTein Evolution Using Selection) käyttää "ohjattua evoluutiota" – laboratoriotekniikkaa, joka jäljittelee evoluution luonnollista voimaa. Vuosien tai vuosikymmenten sijaan se kuitenkin nopeuttaa evoluution ja luonnonvalinnan syklejä luomalla uusia toimintoja omaavia molekyylejä vain muutamassa viikossa.

Tällä voisi olla suora vaikutus uusien, tehokkaampien lääkkeiden etsintään. Järjestelmää voitaisiin esimerkiksi käyttää geenimuokkaustekniikoiden, kuten CRISPR:n, parantamiseen niiden tehostamiseksi.

”Tämä tarkoittaa, että PROTEUSia voidaan käyttää uusien, kehossamme toimimaan optimoitujen molekyylien luomiseen, ja voimme luoda uusia lääkkeitä, joiden luominen nykyteknologialla olisi vaikeaa tai mahdotonta”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja, professori Greg Neely, Sydneyn yliopiston tohtori John ja Anne Chongin funktionaalisen genomiikan laboratorion johtaja.

"Työmme uutuus on se, että suunnattu evoluutio toimii pääasiassa bakteerisoluissa, kun taas PROTEUS voi kehittää molekyylejä nisäkässoluissa."

PROTEUS-järjestelmä voi ratkaista ongelmia, joiden ratkaisu on epävarma – samalla tavalla kuin käyttäjä syöttää kyselyitä tekoälyalustalle. Ongelmana voi esimerkiksi olla, miten henkilön kehossa oleva tautigeeni voidaan tehokkaasti "kytkeä pois päältä".

PROTEUS käyttää sitten suunnattua evoluutiota tutkiakseen miljoonia mahdollisia sekvenssejä, joita ei vielä esiinny luonnossa, ja löytää molekyylejä, joiden ominaisuudet ovat erittäin räätälöityjä ongelmaan. Tämä tarkoittaa, että PROTEUS voi löytää ratkaisuja, joiden löytäminen veisi ihmistutkijalta vuosia – jos he ylipäätään löytäisivät niitä.

Tutkijat kertoivat kehittäneensä PROTEUSin avulla parannettuja proteiiniversioita, joita on helpompi säädellä lääkkeillä, sekä nanobodyja (vasta-aineiden miniversioita), jotka pystyvät havaitsemaan DNA-vaurioita, mikä on tärkeä prosessi, joka edistää syövän kehittymistä. Kuten kirjoittajat korostivat, PROTEUSin käyttö ei kuitenkaan rajoitu tähän: sitä voidaan käyttää useimpien proteiinien ja molekyylien toiminnan parantamiseen.

Tulokset on julkaistu Nature Communications -lehdessä. Tutkimus tehtiin Charles Perkins -keskuksessa Sydneyn yliopistossa yhteistyössä Centenary-instituutin tutkijoiden kanssa.

Molekyylikoneoppimisen löytäminen

Alkuperäinen suunnatun evoluution menetelmän kehitys, joka toteutettiin ensimmäisen kerran bakteereissa, palkittiin Nobelin kemianpalkinnolla vuonna 2018.

”Suunnan mukaisen evoluution keksiminen muutti biokemian kulkua. Nyt PROTEUSin avulla voimme ohjelmoida nisäkässolun ratkaisemaan geneettisen ongelman, johon meillä ei ole valmista vastausta. Jos annamme järjestelmän toimia jatkuvasti, voimme seurata säännöllisesti, miten se ratkaisee ongelman”, sanoo johtava tutkija, tohtori Christopher Denes Charles Perkins -keskuksesta ja Life and Environmental Sciences -koulusta.

Denesin ja hänen tiiminsä suurin haaste oli tehdä nisäkässolusta kestävä useille evoluutio- ja mutaatiosykleille säilyttäen samalla sen vakauden ja estämällä järjestelmää "huijaamasta" löytämällä triviaaleja ratkaisuja, jotka eivät vastaa käsillä olevaan tehtävään.

Tutkijat löysivät ratkaisun käyttämällä kimeerisiä virusmaisia hiukkasia, jotka koostuvat yhden viruksen ulkokuoresta ja toisen viruksen geeneistä. Tämä rakenne esti järjestelmää "huijaamasta".

Suunnittelussa yhdistettiin kahden hyvin erilaisen virusperheen elementtejä, mikä loi "molempien maailmojen parhaat puolet". Tuloksena oleva järjestelmä mahdollisti solujen käsitellä monia erilaisia ratkaisuja rinnakkain, parannettujen ratkaisujen tullessa hallitseviksi ja virheellisten katoaessa.

”PROTEUS on vakaa, luotettava ja validoitu riippumattomissa laboratorioissa. Kannustamme muita tutkimusryhmiä käyttämään tätä menetelmää. Toivomme PROTEUSin avulla voivamme stimuloida uuden sukupolven entsyymien, molekyylityökalujen ja terapeuttisten lääkkeiden kehitystä”, sanoi tohtori Denes.

”Olemme tehneet tämän järjestelmän avoimeksi tutkimusyhteisölle ja odotamme innolla, miten sitä käytetään. Tavoitteenamme on parantaa geenimuokkaustekniikoita ja jalostaa mRNA-lääkkeitä tehokkaampien ja spesifisempien vaikutusten saavuttamiseksi”, professori Neely lisäsi.