AI は生物学的な「トランジスタ」のように動作するタンパク質を設計できるようになりました

私たちはタンパク質を不変の 3D 彫刻として考えることがよくあります。

それは正しくありません。 多くのタンパク質は、生物学的ニーズに応じてねじれたり形状を変えたりするトランスフォーマーです。 1 つの構成では、脳卒中や心臓発作による有害な信号が伝播する可能性があります。 別のものは、結果として生じる分子カスケードをブロックし、害を制限する可能性があります。

ある意味、タンパク質は生物学的トランジスタのように機能し、体の分子「コンピューター」の根元にあるオンオフスイッチによって、外部および内部の力やフィードバックにどのように反応するかを決定します。 科学者たちは、私たちの体がどのように機能するかを解明するために、これらの形状を変化させるタンパク質を長い間研究してきました。

しかし、なぜ自然だけに頼るのでしょうか？ 生物学的宇宙では未知の生物学的「トランジスタ」をゼロから作成できるのでしょうか?

AIを入力してください。 複数の深層学習手法により、すでにタンパク質の構造を正確に予測できます。これは、半世紀にわたる画期的な成果です。 ますます強力なアルゴリズムを使用したその後の研究では、進化の力によって解き放たれた幻覚を示すタンパク質構造が明らかになりました。

しかし、これらの AI 生成の構造には欠点があります。非常に複雑ではあるものの、そのほとんどは完全に静的であり、本質的には時間の中で凍結された一種のデジタルタンパク質彫刻です。

今月、Science に掲載された新しい研究では、デザイナータンパク質に柔軟性を加えることで、これまでの常識を打ち破りました。 新しい構造は、制限のない曲芸師ではありません。 ただし、デザイナータンパク質は、外部の生物学的「ロック」に応じて、開いた構成または閉じた構成のヒンジを考えてください。2 つの異なる形態に安定化できます。 各状態はコンピュータの「0」または「1」に似ており、その後セルの出力が制御されます。

研究著者であるワシントン大学のフロリアン・プレトリウス博士は、「以前は、1つの安定した構造を持つタンパク質しか作成できませんでした」と述べた。 「今、私たちはついに動くタンパク質を作ることができるようになり、驚くべき範囲の応用が開かれるはずです。」

主著者の David Baker 博士は次のようなアイデアを持っています。「環境中の化学物質に反応するナノ構造の形成からドラッグデリバリーへの応用まで、私たちはその可能性を活用し始めたばかりです。」

簡単な生物学 101。

タンパク質は私たちの体を構築し、動かします。 これらの高分子は DNA から旅を始めます。 遺伝情報は、タンパク質の構成要素であるアミノ酸に翻訳されます。これは、糸状のビーズのようなものです。 次に、各紐が複雑な 3D 形状に折り畳まれ、一部の部分が他の部分とくっつきます。 二次構造と呼ばれる、いくつかの構成はツイズラーのように見えます。 カーペットのようなシートに織り込むものもあります。 これらの形状はさらに相互に構築され、高度に洗練されたタンパク質構造を形成します。

タンパク質がどのようにその形状を獲得するかを理解することで、新しいタンパク質をゼロから設計し、生物学的世界を拡大し、ウイルス感染やその他の病気に対する新しい武器を作成できる可能性があります。

2020 年に遡ると、DeepMind の AlphaFold と David Baker lab の RoseTTAFold は、アミノ酸配列のみに基づいてタンパク質の構造を正確に予測することで、構造生物学のインターネットを突破しました。

それ以来、AI モデルは科学的に既知の、そして未知のほぼすべてのタンパク質の形状を予測してきました。 これらの強力なツールはすでに生物学研究を再構築しており、科学者が抗生物質耐性と闘い、DNAの「収容所」を研究し、新しいワクチンを開発し、さらにはパーキンソン病のような脳を破壊する病気を解明するための潜在的な標的を迅速に特定するのに役立っています。

その後、衝撃的な出来事が起こりました。DALL-E や ChatGPT などの生成 AI モデルは、魅力的な展望をもたらしました。 単にタンパク質の構造を予測するのではなく、まったく新しいタンパク質の構造を AI に夢想させてみてはいかがでしょうか? ホルモンに結合してカルシウムレベルを調節するタンパク質から、生物発光を触媒する人工酵素に至るまで、初期の結果は熱狂を呼び起こし、AI 設計のタンパク質の可能性は無限であるように思われました。

これらの発見の主導権を握っているのはベイカー研究所です。 RoseTTAFold をリリースして間もなく、彼らはタンパク質上の機能部位（他のタンパク質、薬物、抗体と相互作用する部位）を特定するアルゴリズムをさらに開発し、科学者がまだ想像していなかった新しい薬を開発する道を切り開きました。