Ученые создали ИИ для уменьшения и увеличения природных белков
ИИ-система Raygun меняет длину существующих белков, сохраняя их ключевые структурные и функциональные участки. Технология может пригодиться при разработке лекарств, систем генной терапии и биологических датчиков.
Источник: Эван Ото/SPL. Белок гемоглобин (иллюстрация художника) может быть уменьшен с помощью ИИ-инструмента под названием Raygun.
МОСКВА, 30 июля. /Новости науки/. Ученые создали ИИ-систему Raygun, способную менять размер природных белков. Она сохраняет ключевые элементы их структуры и функций, говорится в статье, опубликованной 29 июля в журнале Nature.
Возможность уменьшать белки важна для генной терапии: компактные молекулы легче помещать в вирусные векторы, доставляющие генетический материал в клетки. Миниатюрные светящиеся белки также могут стать более точными метками, поскольку они меньше влияют на работу изучаемых клеточных структур. Увеличение белка, в свою очередь, иногда позволяет усилить его взаимодействие с нужной молекулярной мишенью.
«Существует язык, определяющий, как аминокислотная последовательность белка задает его форму и функцию, но ученые пока не полностью понимают этот язык», — объяснил один из авторов работы Рохит Сингх, специалист по вычислительной биологии.
Raygun построена на базе белковой языковой модели ESM-2, обученной распознавать закономерности в аминокислотных последовательностях. Система представляет каждый белок не просто как цепочку разной длины, а как распределение вероятностей фиксированного размера. Благодаря этому алгоритм может сопоставлять молекулы разной длины, удалять и добавлять аминокислоты или заменять их, не разрушая основные структурные особенности белка.
Пользователю достаточно задать два параметра: степень изменения аминокислотной последовательности и желаемую длину молекулы. В большинстве опытов Raygun сокращала белки на 10–25%, а в отдельных случаях — более чем наполовину. Система также могла увеличивать их сверх природного размера. Создание одного варианта занимало около 0,3 секунды на графическом ускорителе NVIDIA A100.
Ученые проверили работу ИИ на гемоглобине и ряде других белков. В экспериментах с живыми клетками шесть из восьми уменьшенных вариантов светящихся белков сохранили способность к флуоресценции. Два из них оказались компактнее 96% известных белков этого типа. Уменьшенная версия фермента TurboID сохранила активность, а увеличенные варианты эпидермального фактора роста связывались с рецептором EGFR сильнее природной молекулы.
Большинство созданных Raygun белков ученые пока оценивали с помощью компьютерного моделирования, поэтому сохранение их функций предстоит подтверждать экспериментально. В отличие от других генеративных систем, проектирующих белки с нуля, новый алгоритм имитирует один из путей естественной эволюции — постепенно перестраивает уже существующую и проверенную природой молекулу. Название Raygun, означающее «лучевую пушку», отсылает к фантастическим устройствам, способным уменьшать и увеличивать предметы.
Возможность уменьшать белки важна для генной терапии: компактные молекулы легче помещать в вирусные векторы, доставляющие генетический материал в клетки. Миниатюрные светящиеся белки также могут стать более точными метками, поскольку они меньше влияют на работу изучаемых клеточных структур. Увеличение белка, в свою очередь, иногда позволяет усилить его взаимодействие с нужной молекулярной мишенью.
«Существует язык, определяющий, как аминокислотная последовательность белка задает его форму и функцию, но ученые пока не полностью понимают этот язык», — объяснил один из авторов работы Рохит Сингх, специалист по вычислительной биологии.
Raygun построена на базе белковой языковой модели ESM-2, обученной распознавать закономерности в аминокислотных последовательностях. Система представляет каждый белок не просто как цепочку разной длины, а как распределение вероятностей фиксированного размера. Благодаря этому алгоритм может сопоставлять молекулы разной длины, удалять и добавлять аминокислоты или заменять их, не разрушая основные структурные особенности белка.
Пользователю достаточно задать два параметра: степень изменения аминокислотной последовательности и желаемую длину молекулы. В большинстве опытов Raygun сокращала белки на 10–25%, а в отдельных случаях — более чем наполовину. Система также могла увеличивать их сверх природного размера. Создание одного варианта занимало около 0,3 секунды на графическом ускорителе NVIDIA A100.
Ученые проверили работу ИИ на гемоглобине и ряде других белков. В экспериментах с живыми клетками шесть из восьми уменьшенных вариантов светящихся белков сохранили способность к флуоресценции. Два из них оказались компактнее 96% известных белков этого типа. Уменьшенная версия фермента TurboID сохранила активность, а увеличенные варианты эпидермального фактора роста связывались с рецептором EGFR сильнее природной молекулы.
Большинство созданных Raygun белков ученые пока оценивали с помощью компьютерного моделирования, поэтому сохранение их функций предстоит подтверждать экспериментально. В отличие от других генеративных систем, проектирующих белки с нуля, новый алгоритм имитирует один из путей естественной эволюции — постепенно перестраивает уже существующую и проверенную природой молекулу. Название Raygun, означающее «лучевую пушку», отсылает к фантастическим устройствам, способным уменьшать и увеличивать предметы.
