Большая часть жизни на Земле основана на полимерах из 20 аминокислот, которые эволюционировали в сотни тысяч различных, высокоспециализированных белков. Они катализируют реакции, формируют позвоночник и мышцы и даже создают движение.

Но так ли необходимо все это разнообразие? Может ли биология работать так же хорошо с меньшим количеством строительных блоков и более простыми полимерами?

Тинг Сюй, ученый-полимерщик из Калифорнийского университета в Беркли, считает, что да. Она разработала способ имитации специфических функций природных белков с помощью всего двух, четырех или шести различных строительных блоков, которые в настоящее время используются в пластмассах, и обнаружила, что эти альтернативные полимеры работают так же хорошо, как настоящий белок, и их гораздо легче синтезировать, чем пытаться воспроизвести природный дизайн.

В качестве доказательства концепции она использовала свой метод проектирования, основанный на машинном обучении или искусственном интеллекте, для синтеза полимеров, имитирующих плазму крови. Искусственная биологическая жидкость сохранила природные белковые биомаркеры в неизменном виде без использования холодильника и даже сделала природные белки более устойчивыми к высоким температурам, что превосходит настоящую плазму крови.

Заменители белка, или случайные гетерополимеры (RHP), могут стать переломным моментом для биомедицинских приложений, поскольку сегодня много усилий направлено на то, чтобы изменить природные белки так, чтобы они делали то, для чего изначально не были предназначены, или попытаться воссоздать 3D-структуру природных белков. Доставка лекарств с помощью небольших молекул, имитирующих естественные белки человека, является одним из самых горячих направлений исследований.

Вместо этого искусственный интеллект может подобрать нужное количество, тип и расположение пластиковых строительных блоков - таких же, как те, что используются, например, в зубных пломбах - для имитации нужной функции белка, а для их изготовления можно использовать простую химию полимеров.

Например, в случае с плазмой крови искусственные полимеры были разработаны для растворения и стабилизации естественных белковых биомаркеров в крови. Сюй и ее команда также создали смесь синтетических полимеров для замены внутренностей клетки, так называемого цитозоля. В пробирке, заполненной искусственной биологической жидкостью, наномашины клетки - рибосомы - продолжали вырабатывать натуральные белки, как будто им было все равно, натуральная это жидкость или искусственная.

"В принципе, все данные показывают, что мы можем использовать эту конструкцию, эту философию для создания полимеров до такой степени, что биологическая система не сможет распознать, полимер это или белок", - сказал Сюй, профессор химии и материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. "Мы, по сути, обманываем биологию. Вся идея заключается в том, что если вы действительно разработаете и внедрите ваши полимеры как часть экосистемы, они должны вести себя как белок. Если другие белки скажут: "Хорошо, ты часть нас", тогда все в порядке".

Концепция дизайна также открывает возможности для проектирования гибридных биологических систем, в которых полимеры из пластика плавно взаимодействуют с природными белками для улучшения работы системы, например, фотосинтеза. Кроме того, полимеры можно заставить естественным образом разлагаться, делая систему пригодной для вторичной переработки и устойчивой.

"Вы начинаете думать о совершенно новом будущем пластика, вместо всего этого товарного материала", - говорит Сюй, которая также является научным сотрудником Национальной лаборатории Лоренса Беркли.

Она и ее коллеги опубликовали свои результаты в выпуске журнала Nature от 9 марта.

Сюй рассматривает живую ткань как сложную смесь белков, которые эволюционировали, чтобы гибко работать вместе, при этом меньше внимания уделяется фактической аминокислотной последовательности каждого белка, чем функциональным субъединицам белка, местам, где эти белки взаимодействуют. Как в механизме замка и ключа, где нет особой разницы, алюминиевый ключ или стальной, так и фактический состав функциональных субъединиц менее важен, чем то, что они делают.

И поскольку эти природные белковые смеси развивались случайным образом в течение миллионов лет, должно быть возможно создать подобные смеси случайным образом, с другим алфавитом строительных блоков, если использовать правильные принципы для их проектирования и отбора, избавляя ученых от необходимости воссоздавать точные белковые смеси в живых тканях.

"Природа не занимается восходящим, молекулярным, точным проектированием, как мы это делаем в лаборатории", - сказал Сюй. "Природе нужна гибкость, чтобы добиться своего. Природа не говорит: "Давайте изучим структуру этого вируса и создадим антиген для его атаки. Она собирается вырастить библиотеку антигенов и выбрать из них тот, который работает".

Эта случайность может быть использована для разработки синтетических полимеров, которые хорошо сочетаются с природными белками, создавая биосовместимые пластики легче, чем сегодняшние целенаправленные методы, говорит Сюй.

В сотрудничестве с прикладным статистиком Хайяном Хуангом, профессором Калифорнийского университета в Беркли, исследователи разработали методы глубокого обучения для сопоставления свойств природных белков со свойствами полимеров, чтобы создать искусственный полимер, который функционирует аналогично, но не идентично природному белку.

Например, при попытке разработать жидкость, которая стабилизирует конкретные природные белки, наиболее важными свойствами жидкости являются электрические заряды субъединиц полимера и то, любят ли эти субъединицы взаимодействовать с водой, то есть являются ли они гидрофильными или гидрофобными. Синтетические полимеры были разработаны таким образом, чтобы соответствовать этим свойствам, но не другим характеристикам природных белков в жидкости.

Хуанг и аспирант Шуни Ли обучили метод глубокого обучения - гибрид классического искусственного интеллекта (ИИ), который Хуанг называет модифицированным вариационным автоэнкодером (VAE) - на базе данных примерно 60 000 природных белков. Эти белки были разбиты на 50-аминокислотные сегменты, а свойства сегментов сравнивались со свойствами искусственных полимеров, состоящих всего из четырех строительных блоков.

С помощью результатов экспериментов, проведенных аспирантом Жиюанем Руаном в лаборатории Сюя, группа смогла химически синтезировать случайную группу полимеров, RHP, которые имитировали природные белки с точки зрения заряда и гидрофобности.

"Мы смотрим на пространство последовательностей, которые уже разработала природа, анализируем его, подбираем полимер, соответствующий тому, что уже разработала природа, и они работают", - сказал Сюй.

"От того, насколько хорошо вы следуете последовательности белка, зависят характеристики получаемого полимера". Извлечение информации из сложившейся системы, такой как белки естественного происхождения, - это самый простой путь, позволяющий нам найти правильные критерии для создания биологически совместимых полимеров".

Коллеги из лаборатории Карлоса Бустаманте, профессора молекулярной и клеточной биологии, химии и физики Калифорнийского университета в Беркли, провели исследования с помощью одномолекулярного оптического пинцета и четко показали, что RHP могут имитировать поведение белков.

Сейчас Сюй, Хуанг и их коллеги пытаются имитировать другие характеристики белков, чтобы воспроизвести в пластике многие другие функции природных аминокислотных полимеров.

"Сейчас наша цель - просто стабилизировать белки и имитировать самые основные функции белков", - сказал Хуанг. "Но с более совершенным дизайном системы RHP, я думаю, для нас естественно исследовать возможность усиления других функций. Мы пытаемся изучить, какие композиции последовательностей могут быть информативными в отношении возможных функций или поведения белка, которые может нести RHP".

Платформа дизайна открывает двери для гибридных систем природных и синтетических полимеров, а также предлагает способы более легкого создания биосовместимых материалов, от искусственных слез или хрящей до покрытий, которые могут быть использованы для доставки лекарств.

"Если вы хотите разработать биоматериалы для взаимодействия с вашим телом, для тканевой инженерии или доставки лекарств, или вы хотите сделать покрытие для стента, вы должны быть совместимы с биологическими системами", - сказал Сюй. Эта статья говорит вам: "Вот правила проектирования. Вот как вы должны взаимодействовать с биологическими жидкостями".

Ее конечной целью является полное переосмысление того, как в настоящее время разрабатываются биоматериалы, потому что существующие методы, сфокусированные в основном на имитации аминокислотных структур природных белков, не работают.

"Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами не одобрило ни одного нового материала для полимерных биоматериалов в течение десятилетий, и я думаю, что причина в том, что многие синтетические полимеры на самом деле не работают - мы движемся в неправильном направлении", - сказала она.

"Мы не позволяем биологии подсказывать нам, как должен быть разработан материал. Мы рассматриваем отдельные пути, отдельные факторы, а не рассматриваем все в комплексе. Биология действительно сложна, но она очень случайна. При работе с материалами нужно говорить на одном языке. Это то, чем я хочу поделиться с сообществом материаловедов".