מדענים יצרו מערכת של "בינה מלאכותית ביולוגית"

מדענים אוסטרלים פיתחו בהצלחה מערכת מחקר המשתמשת ב"בינה מלאכותית ביולוגית" כדי לתכנן ולפתח מולקולות בעלות תפקודים חדשים או משופרים ישירות בתאי יונקים. החוקרים אמרו שהמערכת מייצגת כלי חדש ורב עוצמה שיכול לסייע למדענים לפתח תרופות מחקר או טיפולים גנטיים ספציפיים ויעילים יותר.

המערכת, הנקראת PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), משתמשת בשיטה הנקראת "אבולוציה מכוונת", טכניקת מעבדה המחקה את הכוח הטבעי של האבולוציה. אך במקום לקחת שנים או עשורים, היא מאיצה את מחזורי האבולוציה והברירה הטבעית, ויוצרת מולקולות בעלות פונקציות חדשות תוך מספר שבועות בלבד.

לכך עשויה להיות השפעה ישירה על החיפוש אחר תרופות חדשות ויעילות יותר. לדוגמה, ניתן להשתמש במערכת לשיפור טכנולוגיות עריכת גנים כמו CRISPR כדי להפוך אותן ליעילות יותר.

"משמעות הדבר היא שניתן להשתמש ב-PROTEUS כדי לייצר מולקולות חדשות המותאמות לפעולה בגופנו, ואנחנו יכולים ליצור תרופות חדשות שיהיה קשה או בלתי אפשרי ליצור באמצעות הטכנולוגיה הנוכחית", אומר פרופסור גרג נילי, ראש מעבדת הגנומיקה הפונקציונלית ע"ש ד"ר ג'ון ואן צ'ונג באוניברסיטת סידני, אחד ממחברי המחקר.

"החידוש בעבודה שלנו הוא שאבולוציה מכוונת פועלת בעיקר בתאי חיידקים, בעוד ש-PROTEUS יכולה לפתח מולקולות בתאי יונקים."

מערכת PROTEUS יכולה לפתור בעיות עם פתרון לא ודאי - בדומה לאופן שבו משתמש מזין שאילתות לפלטפורמת בינה מלאכותית. לדוגמה, הבעיה עשויה להיות כיצד "לכבות" ביעילות גן מחלה בגוף של אדם.

לאחר מכן, פרוטאוס משתמש באבולוציה מכוונת כדי לחקור מיליוני רצפים אפשריים שעדיין אינם קיימים בטבע, ומוצא מולקולות בעלות תכונות המותאמות מאוד לבעיה. משמעות הדבר היא שפרוטאוס יכול למצוא פתרונות שייקחו שנים לחוקר אנושי למצוא - אם בכלל היה יכול למצוא אותם.

המדענים דיווחו כי בעזרת PROTEUS הם פיתחו גרסאות משופרות של חלבונים שקל יותר לווסת באמצעות תרופות, כמו גם ננו-גופים (מיני-גרסאות של נוגדנים) שיכולים לזהות נזק ל-DNA, תהליך חשוב התורם להתפתחות סרטן. עם זאת, כפי שהדגישו המחברים, היישום של PROTEUS אינו מוגבל לכך: ניתן להשתמש בו כדי לשפר את תפקודם של רוב החלבונים והמולקולות.

התוצאות פורסמו ב- Nature Communications. המחקר נערך במרכז צ'ארלס פרקינס באוניברסיטת סידני בשיתוף פעולה עם חוקרים ממכון Centenary.

גילוי למידת מכונה מולקולרית

הפיתוח המקורי של שיטת האבולוציה המכוונת, שיושם לראשונה בחיידקים, זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 2018.

"המצאת האבולוציה המכוונת שינתה את מהלך הביוכימיה. כעת, בעזרת PROTEUS, אנו יכולים לתכנת תא יונקי לפתור בעיה גנטית שאין לנו לה תשובה מוכנה. אם ניתן למערכת לפעול ברציפות, נוכל לנטר כיצד היא פותרת את הבעיה באופן קבוע", אמר החוקר הראשי ד"ר כריסטופר דנס, ממרכז צ'ארלס פרקינס ומבית הספר למדעי החיים והסביבה.

האתגר העיקרי שעמד בפני דנס וצוותו היה כיצד להפוך תא יונקי לעמיד בפני מחזורי אבולוציה ומוטציות מרובים, תוך שמירה על יציבותו ומניעת "רמאות" של המערכת על ידי מציאת פתרונות טריוויאליים שאינם עונים על המשימה שלפנינו.

המדענים מצאו פתרון בשימוש בחלקיקים כימריים דמויי וירוס, עיצוב המורכב מהקליפה החיצונית של וירוס אחד והגנים של אחר. עיצוב זה מנע מהמערכת "לרמות".

התכנון שילב אלמנטים של שתי משפחות שונות מאוד של וירוסים, ויצר את "הטוב משני העולמות". המערכת שהתקבלה אפשרה לתאים לעבד פתרונות אפשריים רבים ושונים במקביל, כאשר פתרונות משופרים הופכים לדומיננטיים ופתרונות שגויים נעלמים.

"פרוטאוס יציב, חזק ועבר אימות במעבדות עצמאיות. אנו מעודדים קבוצות מחקר אחרות להשתמש בשיטה זו. באמצעות פרוטאוס, אנו מקווים לעודד את פיתוחו של דור חדש של אנזימים, כלים מולקולריים ותרופות", אמר ד"ר דנס.

"הפכנו את המערכת הזו לקהילת המחקר ואנחנו מצפים לראות כיצד היא תיעשה בשימוש. המטרה שלנו היא לשפר טכנולוגיות עריכת גנים ולעדן תרופות mRNA לקבלת השפעות חזקות וספציפיות יותר", הוסיף פרופסור נילי.