Per keletą pastarųjų dešimtmečių taikant naujos kartos DNR sekoskaitos metodus buvo aptikta ir aprašyta milijardai unikalių baltymų sekų iš įvairių gyvų organizmų, tokių kaip bakterijos ir virusai. Ši informacija leido geriau pažinti pasaulyje egzistuojančių baltymų įvairovę, jų funkcionalumą ir galimą efektyvų jų taikymą maisto, chemijos pramonėje, medicinoje ir kitose srityse.

Tačiau, pasak Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro profesoriaus Rolando Meškio ir  biotechnologijų įmonės „Biomatter Designs“ vadovo Lauryno Karpaus, kylant specifiniam poreikiui taikyti baltymus, atliekančius iš anksto numatytą funkciją, gamtoje randamų natūralių baltymų nebepakanka – reikalingi greitais ir moderniais metodais sukurti, patobulinti natūralūs arba visiškai nauji baltymai. Dirbtinio intelekto ir baltymų inžinerijos metodų sintezė yra nauja tyrimų kryptis, turinti potencialą šį tikslą pasiekti itin efektyviai. Viena pirmųjų tokio tipo sistemų, leidžiančių greitai generuoti naujus baltymus, buvo sukurta Lietuvoje, įmonėje „Biomatter Designs“.

Kam naudojami baltymai?

Prof. R. Meškio paklausus, kuo žmonijai svarbūs baltymai, pasigirsta labai paprastas atsakymas – jie yra maisto šaltinis ir visos gamtoje egzistuojančios gyvybės pagrindas. Baltymai dalyvauja beveik visuose ląstelėje ir organizme vykstančiuose procesuose, be to, yra sudėtingiausių cheminių procesų, galinčių pasitarnauti žalesnei pramonei, tausojančiai gamtą ir finansinius išteklius, dalis.

Pasak L. Karpaus, žmogaus organizme baltymai, priklausomai nuo jų sekos, užkoduotos DNR molekulėje, atlieka begalę įvairių gyvybiškai svarbių funkcijų ir pagal tai yra skirstomi į kelis tipus.

„Pavyzdžiui, antikūnai mūsų organizme atpažįsta svetimkūnius ir užtikrina, kad likusi imuninė sistema juos pašalintų. Didelė šių antikūnų (skirtingų baltymų formų) įvairovė leidžia organizmui atpažinti daug skirtingų įsibrovėlių ir padeda nuo jų apsisaugoti, o fermentai sintetina ir skaido įvairias chemines molekules, taip užtikrindami sklandžią viso organizmo medžiagų apykaitą. Baltymai atlieka ir daugybę kitų funkcijų – kopijuoja nukleorūgštis, perneša molekules ar perduoda signalus“, – pasakoja įmonės „Biomatter Designs“ vadovas.

Pramonėje plačiai ir aktyviai naudojami užauginti ir išskirti iš įvairių organizmų (E. coli, mielių, vabzdžių ląstelių ir kt.) baltymai. Pavyzdžiui, maistui apdirbti naudojami baltymus, lipidus ir angliavandenius skaidantys baltymai. Chemikalų gamyboje vis dažniau vietoj cheminių katalizatorių dėl savo nepaprasto efektyvumo ir ekologiškumo naudojami fermentai. O tokie rekombinantiniai baltymai kaip peptidai, antikūnai, fermentai yra naudojami medicinoje kaip vaistai.

Sintetinės biologijos atstovas paaiškina, kad baltymai visas funkcijas atlieka dėl savo tretinės struktūros.

„Kiekviena baltymo molekulė yra sudaryta iš skirtingų aminorūgščių, susijungusių viena po kitos į įvairaus ilgio grandines, vadinamąsias baltymo sekas (1 pav.). Pagal tai, kokiu eiliškumu išsidėsto aminorūgštys šioje grandinėje, baltymas susilanksto į skirtingas formas erdvėje (struktūras). O ši forma ir aminorūgščių cheminės savybės yra pagrindinis dalykas, nusakantis, kokią funkciją šis baltymas atliks ir kokiomis savybėmis pasižymės“, – sako L. Karpus.

1 pav. Aminorūgščių susilankstymas į skirtingas erdvines struktūras

Baltymai tobulinami keliais pagrindiniais metodais

Dėl savo sugebėjimo atlikti pačias įvairiausiais funkcijas baltymai yra svarbūs ne vien tam, kad geriau suprastume save pačius ar kitus gyvus organizmus, bet ir tam, kad ateityje galėtume ir patys kurti baltymus su norimomis ir iš anksto numatytomis funkcijomis. „Iš gyvų organizmų pasiskolinti baltymai dažnai netenkina mūsų savo savybėmis ar atliekamomis funkcijomis. Pavyzdžiui, jei baltymas buvo pasiskolintas iš organizmo, gyvenančio 37 °C temperatūroje, naivu tikėtis, kad tai bus pakankamai stabili molekulė procesui, vykstančiam 60 °C temperatūroje. Tai galima išspręsti keičiant baltymo aminorūgščių seką taip, kad jis įgautų pakitusią ar visiškai naują formą, kuri leistų jam veikti aukštesnėje temperatūroje ar atlikti norimą funkciją.“ Tokį baltymų tobulinimo ir kūrimo procesą mokslininkai vadina baltymų inžinerija arba baltymų dizainu.

Kaip pasakoja L. Karpus, šiuo metu baltymai tobulinami pasitelkiant vadinamąją „racionaliąją“ ir  „iracionaliąją“ inžineriją. Racionaliosios inžinerijos metu tyrėjas ar baltymų inžinierius ranka parenka baltymo pakeitimus atsižvelgdamas į turimą struktūrinę ar eksperimentinę informaciją, taip pat į baltymo biocheminį ir biofizikinį profilį. Dažnai šį procesą lydi ir molekulinės dinamikos bei statistinės bioinformatikos skaičiavimai. O iracionaliosios inžinerijos metu baltymo aminorūgštys yra keičiamos visiškai ar pusiau atsitiktinai ir jo funkcijos pakitimai yra tikrinami eksperimentiškai.

Kaip adatos ieškojimas šieno kupetoje

„Nors šiais būdais sėkmingai patobulintų baltymų yra jau nemažai, baltymų inžinerijos procesas yra vis dar itin lėtas ir daug resursų reikalaujantis uždavinys, tad vieno baltymo patobulinimas gali užtrukti net kelerius metus. O kalbant apie baltymų inžinerijos pritaikymą sveikatos ar aplinkosaugos srityje, itin svarbiu veiksniu tampa būtent laikas“, – sako L. Karpus.

Jam antrina ir prof. R. Meškys. Jis tvirtina, kad dabar taikomi baltymų inžinerijos metodai primena adatos ieškojimą šieno kupetoje. Pagrindinė esamų metodų problema – milžiniška baltymų įvairovė, tad joje atsirinkti ir atrasti tai, ko reikia, tampa iššūkiu. Negana to, kad šis procesas yra brangus ir ilgai trunka, jis turi dar vieną esminį trūkumą – tyrėjus dominanti baltymo molekulė gamtoje gali tiesiog neegzistuoti.

Anot mokslininkų, tokiais tradiciniais būdais galima sėkmingai įgyvendinti tik nedidelius pakeitimus baltymo struktūroje, o norint atlikti reikšmingesnius patobulinimus ar net sukurti naują baltymą, reikia pasitelkti pažangesnius metodus.

Dirbtinio intelekto generuojami baltymai – švaresnei pramonei ir efektyviems vaistams  

Siekdamas patobulinti itin sudėtingą ir daug išteklių reikalaujantį baltymų inžinerijos procesą, Vilniaus universiteto startuolis „Biomatter Designs“ sukūrė savo pirmąjį dirbtinio intelekto platformos komponentą – ProteinGAN sistemą (Nature Machine Learning 2021), kuri geba efektyviai generuoti naujus funkcionalius baltymus ir yra skirta gerai nuspėjamam kompiuteriniam baltymų dizainui. Prieš dvejus metus ši moderni sistema pademonstravo pirmuosius rezultatus – sugeneravo baltymus, atliekančius iš anksto numatytą (malato vertimo į oksaloacetatą) funkciją laboratorijoje.

Prof. R. Meškio teigimu, Lauryno su komanda kuriami bioinformatiniai instrumentai leidžia patobulinti ir papildyti jau egzistuojančius baltymų inžinerijos metodus. Jie pagreitina tyrimų procesą, padeda išvengti milijono galimai tinkamų baltymų tikrinimo, pasiūlo, kaip reikėtų pakeisti esamą baltymo struktūrą, kad ji taptų atsparesnė aukštai temperatūrai, greitai nesubyrėtų arba pasižymėtų didesniu aktyvumu.

„Tokie ir panašūs dirbtinio intelekto metodai leidžia sugeneruoti baltymų sekas, kurių nėra gamtoje, ir jas apmokyti veikti taip, kaip reikia. Nors paprastai mes pramonėje ieškome tokių fermentų, kurie aptinkami gamtoje, bet iš esmės pramonei visiškai nesvarbu, iš kur tas fermentas paimtas – jai tiesiog reikia gero, tuo metu naudingą funkciją atliekančio baltymo. O tai, kas yra gamtoje, ne visuomet tinka pramonei, nes evoliucija veikia ne tam, kad baltymas dirbtų gamykloje ar būtų efektyvus vaistas“, – tikina profesorius.

L. Karpaus teigimu, šio neseniai sukurto generatyvinio mašininio mokymosi algoritmo tikslas yra suprasti, kaip apskritai turi atrodyti funkcionalus baltymas. „Šis algoritmas pademonstravo, kad pasitelkę dirbtinį intelektą galime generuoti unikalius ir funkciškai aktyvius baltymus. Taikant šią platformą kuriamos naujos baltymų molekulės: fermentai, skirti efektyviai ir ekologiškai cheminių junginių sintezei, terapiniai ir DNR kodo redagavimui skirti baltymai.“

„Biomatter Designs“ sumodeliuoti baltymai. Įmonės nuotr.

Pasak įmonės „Biomatter Designs“ vadovo, eksperimentiškai ištyrus sugeneruotus baltymus buvo įrodyta, kad šie baltymai, nors ir itin nutolę nuo natūralių baltymų, naudotų mokymo procese, ir besiskiriantys savo savybėmis, yra funkcionalūs. „Dirbtinio intelekto algoritmas leido išplėsti jau egzistuojančių baltymų aibę ir greitai pasiūlyti naujus baltymus su unikaliomis savybėmis. Šiuo metu mūsų platforma jau yra naudojama kurti naujiems fermentams, kurie yra taikomi naujuose pramoninės biokatalizės procesuose.“

Dirbtinio intelekto algoritmui reikalinga duomenų gausa

Paklausti, kodėl tokia išmani technologija negalėjo būti sukurta anksčiau, biotechnologai sako, kad efektyviai mašininis mokymasis baltymų inžinerijoje galėjo būti pritaikytas tik dabar dėl šiems algoritmams reikalingos duomenų gausos, kurią neseniai atvėrė naujos kartos DNR sekoskaitos metodai. „Be to, per kelis pastaruosius dešimtmečius buvo eksperimentiškai išsiaiškintos dešimtys tūkstančių baltymų struktūrų, leidžiančių geriau suprasti baltymo aminorūgščių sekų ir jų sudaromų struktūrų santykį. Taigi šiuo metu turime itin daug duomenų apie baltymų sekų įvairovę, jų sudaromas struktūras ir iš to kylančius funkcionalumus“, – tikina L. Karpus.

Pasak jo, algoritmų kūrimas tapo plačiau prieinamas ir dėl baltymų DNR sintezės technologijų pažangos. „Norėdami ištirti kompiuteriais sugeneruotus baltymus, tyrėjai užkoduoja sukurtą baltymo seką į DNR kodą (pagal kurį organizmai vėliau gamins šį naują baltymą) ir chemiškai sintetina šią DNR molekulę. Nors DNR sintezės technologijos nėra naujos, tačiau pastaruoju metu padarė itin didelį techninį šuolį, kuris leido vieną DNR fragmentą, koduojantį vieną baltymo variantą, susintetinti nuo 100 iki 1000 kartų pigiau, nei tą buvo galima padaryti prieš 10 metų.“

Nauji metodai padės suvaldyti pandemijas ir klimato kaitą

Kompiuterinis baltymų dizainas, pasitelkęs dirbtinį intelektą, gali padėti pristabdyti klimato kaitos procesus ar net prisidėti prie pandemijų valdymo.

„Dėl sparčios klimato kaitos reikalingi dideli ir greiti pokyčiai cheminės gamybos pramonėje, kur daugiausia naudojami gamtai kenksmingi cheminiai katalizatoriai bei tirpikliai ir daug energijos reikalaujantys procesai. Tinkamai įvaldžius naujus baltymų inžinerijos metodus, chemikalų gamybą galima nesunkiai paversti efektyvesne ir ekologiškesne“, – sako L. Karpus.

Startuolio vadovas įsitikinęs, kad naujosios technologijos greitis ir tikslumas gali padėti ir kovoje su koronaviruso pandemija, ypač kai įtampą kelia vis atsirandantys nauji šio viruso variantai, prieš kuriuos anksčiau sukurti jį neutralizuojantys agentai gali ir neveikti. „Todėl gebėjimas greitai sukurti naujus ar modifikuotus vaistus – antikūnų ar peptidų tipo baltymus, galinčius efektyviai neutralizuoti SARS-CoV-2 ar kitus virusus žmogaus organizme, yra ypač svarbus tiek dabar, tiek ruošiantis ateities pandemijoms.“