Forskere har skabt et system af "biologisk kunstig intelligens"

Australske forskere har med succes udviklet et forskningssystem, der bruger "biologisk kunstig intelligens" til at designe og udvikle molekyler med nye eller forbedrede funktioner direkte i pattedyrceller. Forskerne sagde, at systemet repræsenterer et kraftfuldt nyt værktøj, der kan hjælpe forskere med at udvikle mere specifikke og effektive forskningslægemidler eller genterapier.

Systemet, kaldet PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), bruger en metode kaldet "rettet evolution", en laboratorieteknik, der efterligner evolutionens naturlige kraft. Men i stedet for at tage år eller årtier, fremskynder det evolutionens og den naturlige selektionens cyklusser og skaber molekyler med nye funktioner på bare et par uger.

Dette kunne have en direkte indvirkning på søgningen efter nye, mere effektive lægemidler. For eksempel kunne systemet bruges til at forbedre genredigeringsteknologier som CRISPR for at gøre dem mere effektive.

"Det betyder, at PROTEUS kan bruges til at generere nye molekyler, der er optimeret til at virke i vores kroppe, og vi kan skabe nye lægemidler, der ville være vanskelige eller umulige at skabe med den nuværende teknologi," siger medforfatter til studiet, professor Greg Neely, leder af Dr. John og Anne Chong Functional Genomics Laboratory ved University of Sydney.

"Det nye ved vores arbejde er, at styret evolution primært virker i bakterieceller, hvorimod PROTEUS kan udvikle molekyler i pattedyrceller."

PROTEUS-systemet kan løse problemer med en usikker løsning – ligesom en bruger indtaster forespørgsler i en kunstig intelligens-platform. Problemet kan for eksempel være, hvordan man effektivt "slukker" et sygdomsgen i en persons krop.

PROTEUS bruger derefter rettet evolution til at udforske millioner af mulige sekvenser, der endnu ikke findes i naturen, og finder molekyler med egenskaber, der er stærkt skræddersyet til problemet. Det betyder, at PROTEUS kan finde løsninger, der ville tage en menneskelig forsker år at finde – hvis de overhovedet kunne finde dem.

Forskerne rapporterede, at de ved hjælp af PROTEUS har udviklet forbedrede versioner af proteiner, der er lettere at regulere med lægemidler, samt nanobodies (miniversioner af antistoffer), der kan detektere DNA-skader, en vigtig proces, der bidrager til udviklingen af kræft. Men som forfatterne understregede, er anvendelsen af PROTEUS ikke begrænset til dette: det kan bruges til at forbedre funktionen af de fleste proteiner og molekyler.

Resultaterne er offentliggjort i Nature Communications. Forskningen blev udført på Charles Perkins Centre ved University of Sydney i samarbejde med forskere fra Centenary Institute.

Opdagelsen af molekylær maskinlæring

Den oprindelige udvikling af den målrettede evolutionsmetode, der først blev implementeret i bakterier, blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2018.

"Opfindelsen af styret evolution ændrede biokemiens forløb. Nu kan vi med PROTEUS programmere en pattedyrcelle til at løse et genetisk problem, som vi ikke har et færdigt svar på. Hvis vi lader systemet køre kontinuerligt, kan vi regelmæssigt overvåge, hvordan det løser problemet," sagde ledende forsker Dr. Christopher Denes fra Charles Perkins Centre og School of Life and Environmental Sciences.

Den største udfordring, som Denes og hans team stod over for, var, hvordan man kunne gøre en pattedyrscelle modstandsdygtig over for flere evolutionscyklusser og mutationer, samtidig med at man bevarede sin stabilitet og forhindrede systemet i at "snyde" ved at finde trivielle løsninger, der ikke opfylder den foreliggende opgave.

Forskerne fandt en løsning ved at bruge kimære viruslignende partikler, et design bestående af den ydre skal af én virus og generne fra en anden. Dette design forhindrede systemet i at "snyde".

Designet kombinerede elementer fra to meget forskellige virusfamilier og skabte "det bedste fra begge verdener". Det resulterende system tillod celler at behandle mange forskellige mulige løsninger parallelt, hvor forbedrede løsninger blev dominerende, og forkerte løsninger forsvandt.

"PROTEUS er stabil, robust og er blevet valideret i uafhængige laboratorier. Vi opfordrer andre forskningsgrupper til at bruge denne metode. Ved at bruge PROTEUS håber vi at stimulere udviklingen af en ny generation af enzymer, molekylære værktøjer og terapeutiske midler," sagde Dr. Denes.

"Vi har gjort dette system tilgængeligt for forskningsmiljøet og ser frem til at se, hvordan det bliver brugt. Vores mål er at forbedre genredigeringsteknologier og forfine mRNA-lægemidler for at opnå mere potente og specifikke effekter," tilføjede professor Neely.