С помощью искусственного интеллекта исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция, преуспели в разработке синтетической ДНК, которая контролирует выработку белка клетками. Технология может способствовать разработке и производству вакцин, лекарств от тяжелых заболеваний, а также альтернативных пищевых белков гораздо быстрее и при значительно меньших затратах, чем сегодня.

То, как экспрессируются гены, - это процесс, который имеет фундаментальное значение для функциональности клеток во всех живых организмах. Проще говоря, генетический код в ДНК транскрибируется в молекулу мессенджерной РНК (мРНК), которая сообщает клеточной фабрике, какой белок производить и в каких количествах.

Исследователи приложили много усилий, пытаясь контролировать экспрессию генов, потому что, помимо прочего, это может способствовать разработке лекарств на основе белка. Недавним примером является мРНК-вакцина против COVID-19, которая проинструктировала клетки организма вырабатывать тот же белок, что и на поверхности коронавируса.

Затем иммунная система организма могла бы научиться вырабатывать антитела против вируса. Аналогичным образом, можно научить иммунную систему организма побеждать раковые клетки или другие сложные заболевания, если понимать генетический код, лежащий в основе производства определенных белков.

Большинство современных новых лекарств основаны на белках, но методы их получения являются дорогостоящими и медленными, поскольку трудно контролировать экспрессию ДНК. В прошлом году исследовательская группа в Чалмерсе, возглавляемая Алексеем Железняком, адъюнкт-профессором системной биологии, сделала важный шаг в понимании и контроле того, какая часть белка производится из определенной последовательности ДНК.

"Сначала речь шла о возможности полностью "прочитать" инструкции молекулы ДНК. Теперь нам удалось сконструировать нашу собственную ДНК, которая содержит точные инструкции для контроля количества определенного белка", - говорит Алексей Железняк о последнем важном прорыве исследовательской группы.

Молекулы ДНК, изготовленные на заказ

Принцип, лежащий в основе нового метода, аналогичен сгенерированным искусственным интеллектом лицам, которые выглядят как реальные люди. Изучив, как выглядит большой выбор лиц, искусственный интеллект затем может создавать совершенно новые, но выглядящие естественно лица. Тогда легко изменить лицо, например, сказав, что оно должно выглядеть старше или иметь другую прическу.

С другой стороны, программирование правдоподобного лица с нуля, без использования искусственного интеллекта, было бы гораздо сложнее и отнимало бы много времени. Аналогичным образом, искусственный интеллект исследователей был обучен структуре и регуляторному коду ДНК. Затем искусственный интеллект конструирует синтетическую ДНК, в которой легко модифицировать ее регуляторную информацию в желаемом направлении экспрессии генов. Проще говоря, ИИ сообщают, какая часть гена желательна, а затем "печатают" соответствующую последовательность ДНК.

"ДНК - невероятно длинная и сложная молекула. Таким образом, экспериментально чрезвычайно сложно вносить в него изменения путем итеративного чтения и изменения его, затем чтения и изменения его снова. Таким образом, требуются годы исследований, чтобы найти что-то, что работает. Вместо этого гораздо эффективнее позволить ИИ изучить принципы навигации по ДНК. То, что в противном случае занимало годы, теперь сокращается до недель или дней", - говорит первый автор Ян Зримец, научный сотрудник Национального института биологии в Словении и бывший постдок в группе Алексея Железняка.

Исследователи разработали свой метод на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, клетки которых напоминают клетки млекопитающих. Следующий шаг - использовать человеческие клетки. Исследователи надеются, что их прогресс окажет влияние на разработку как новых, так и существующих лекарств.

"Разработка лекарств на основе белка для лечения сложных заболеваний или альтернативных устойчивых пищевых белков может занять много лет и может быть чрезвычайно дорогостоящей. Некоторые из них настолько дороги, что невозможно получить отдачу от инвестиций, что делает их экономически нежизнеспособными. С помощью нашей технологии можно разрабатывать и производить белки гораздо эффективнее, чтобы их можно было продавать", - говорит Алексей Железняк.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.