Един алгоритъм срещу 4 милиарда години еволюция. Резултатът е 1:0 в полза на машината

Учените за първи път създадоха протеин за уникална химическа реакция.

Компютърните алгоритми са се научили да създават свръхефективни синтетични ензими почти от нулата, а усъвършенстването им вече изисква минимални ръчни експерименти. Получените протеини са в състояние да ускорят химична реакция, с която никой от известните естествени ензими не може да се справи, и да го направят със същата скорост и ефективност като естествените си аналози.

Учените съобщиха своите открития на 18-ти юни в списание Nature. Изследователите смятат, че пътят към ерата, в която ензимите ще могат да бъдат бързо разработвани за всякакви задачи – от медицината до промишлеността – вече е открит.

Силвия Осуна, специалист по изчислителна химия от Университета в Жирона, която не е участвала в проекта, признава, че е изключително трудно да се постигне толкова ефективен фермент с помощта само на компютър.

Възможността за създаване на синтетични ензими може изцяло да промени начина, по който се произвеждат лекарства и химикали. Досегашните опити за компютърно проектиране на ензими завършваха с това, че получените катализатори не бяха достатъчно ефективни и учените трябваше дълго време да ги усъвършенстват в лабораториите. Този процес изисква огромни усилия, отбелязва Сарел Флайшман от Института Вайцман.

За да намери по-добър подход, екипът на Флайшман решава да се опита да създаде катализатор за неестествена реакция, наречена Елиминацията на Кемп. Тази реакция включва отстраняване на протон от въглероден атом в някои молекули. За да се справят с работата, учените са взели данни за естествените ензими, разделили са техните последователности на фрагменти и са ги сглобили отново във всички възможни комбинации с помощта на алгоритъм. След това компютърът прогнозирал коя от тях би била идеалната основа за нов протеин.

Особено внимание е било обърнато на активния център на ензима – мястото, където се извършва химичната реакция. В продължение на много години се смяташе, че в близост до него трябва да се намира аминокиселинен остатък с пръстеновидна структура. Екипът обаче реши да провери какво ще се случи, ако алгоритъмът избере друг вариант. Програмата избрала една аминокиселина без пръстен и това неочаквано довело до рязко повишаване ефективността на ензима. Според Флайшман този резултат наистина го е изненадал.

В резултат на това най-успешният синтетичен ензим се е различавал от естествените си „роднини“ с повече от 140 аминокиселини и е бил 100 пъти по-ефективен от подобните протеини, създадени преди това с помощта на изкуствен интелект.

Силвия Осуна отбелязва, че макар резултатите да са впечатляващи, създаденият протеин все пак е по-прост от повечето естествени ензими, които могат да променят структурата си и да участват в сложни многоетапни реакции. Сега екипът проверява дали новата система може да се използва за повишаване ефективността на ензима рубиско – ключов ензим за фотосинтезата.

Тази първа стъпка показва, че настоящите модели на структурата и функциите на протеините вече са достатъчно напреднали, за да се създадат принципно нови ензими, казва Флайшман. От около десетилетие учените спорят дали това е възможно.

През последното десетилетие учените все повече се обръщат към техниките на изкуствения интелект за проектиране на протеини. Обикновено тези системи подбират подходящи последователности, като копират типичните модели в начина на работа на ензимите, а не въз основа на физичните закони, които са в основата на тяхната функция. Според Флайшман изкуственият интелект остава незаменим за някои задачи, но все още не е в състояние да се справи със сложността на големите протеинови катализатори.

Осна подчертава, че е необходимо да се комбинират двата подхода, за да се постигне по-нататъшен напредък в тази област. Именно това ще даде възможност да се разбере как да се създадат наистина съвършени ензими, способни да решават сложни проблеми, които преди се смятаха за неподвластни дори на най-усъвършенстваните алгоритми за машинно обучение.