создание белков

За последние годы ИИ научился проектировать белки с нуля и даже создавать антитела с потенциалом для медицины. Однако часто ученым нужны не новые молекулы, а улучшенные версии уже существующих. Например, компактные белки, которые могут проникать в недоступные для крупных молекул места, или, наоборот, увеличенные молекулы с новыми свойствами. До сих пор изменить размер белка без последствий было непросто. Такие модификации часто нарушали его структуру и лишали биологической активности.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Дьюка создали систему Raygun, названную в честь луча из научной фантастики, который способен уменьшать и увеличивать объекты. В основе системы лежит языковая модель ESM-2, обученная на миллионах белковых последовательностей. Сначала Raygun переводит белок в математическое представление, а затем изменяет его размер, сохраняя пространственную структуру и функции. При этом алгоритм использует подход, напоминающий естественную эволюцию: он может добавлять или удалять отдельные субъединицы белка, а также заменять одну субъединицу на другую.

Сначала исследователи проверили Raygun на четырех белках разного размера — от гемоглобина, состоящего из 147 аминокислот, до фермента mTOR, который включает 2549 аминокислот. Модель сократила количество аминокислот на 15–20%, при этом белки сохранили исходную структуру и функции. В отдельных случаях система смогла уменьшить молекулу почти вдвое или, наоборот, увеличить ее примерно в два раза.

Затем ученые протестировали Raygun на двух флуоресцентных белках — mCherry и EGFP, которые широко используют для маркировки молекул в биологических исследованиях. ИИ уменьшил их размер на 10–16%, но они сохранили характерную форму и способность светиться. После редактирования эти белки оказались меньше большинства аналогичных молекул из крупных баз данных.

Такие компактные флуоресцентные белки удобнее для клеточных исследований, поскольку меньше мешают работе помеченных молекул. Кроме того, уменьшение размеров белков может помочь в генной терапии, так как компактные инструменты редактирования генома, такие как Cas9, проще доставлять в клетки с помощью вирусных векторов.

Raygun умеет не только уменьшать белки: исследователи также создали увеличенную версию эпидермального фактора роста (EGF), который участвует в росте и дифференцировке клеток. После увеличения белок стал сильнее связываться со своим рецептором, который ученые рассматривают как мишень для противоопухолевых препаратов. Это показывает, что Raygun может помочь в разработке новых терапевтических молекул, в том числе для противоопухолевых препаратов.

По словам соавтора исследования Капила Девкоты из Университета Дьюка, команда не ожидала настолько хорошего результата. «Это был практически выстрел вслепую», — прокомментировал он. При этом авторы отмечают, что возможности Raygun еще предстоит проверить. Пока неизвестно, сможет ли система так же эффективно работать с другими семействами белков и выполнять более сложные задачи по редактированию молекул. Сейчас команда работает над новой версией модели, способной обучаться на меньшем объеме данных.