Oamenii de știință dezvoltă structuri proteice artificiale cu ajutorul inteligenței artificiale
O echipă internațională de cercetare, condusă de un om de știință coreean, a reușit să proiecteze structuri proteice de mari dimensiuni care replică principiile de autoasamblare întâlnite în virusurile naturale, utilizând inteligența artificială (AI).
Ministerul Științei și Tehnologiei Informației (MSIT) a anunțat că prof. Sangmin Lee de la Departamentul de Inginerie Chimică al Universității de Știință și Tehnologie Pohang (POSTECH), în colaborare cu prof. David Baker de la Universitatea din Washington (câștigător al Premiului Nobel pentru Chimie din 2024), a dezvoltat un principiu de design care permite unui singur component proteic să formeze simultan aranjamente pentagonale și hexagonale și să se autoassembleze în structuri asemănătoare virusurilor.
Această cercetare, susținută de programele MSIT, a fost publicată în Nature – cea mai prestigioasă revistă academică din lume – la miezul nopții, ora coreeană, pe 21 mai.
Nanocapsulele proteice: cea mai promițătoare platformă de livrare a medicamentelor de nouă generație
Nanocapsulele proteice au apărut ca fiind cel mai promițător material în domeniul biomedical pentru livrarea medicamentelor de nouă generație. Acestea sunt structuri goale, la scară nanometrică (nm), formate prin legarea spontană a mai multor proteine. Ele pot transporta stabil medicamente, materiale genetice și enzime în interiorul lor, în timp ce antigenii pot fi atașați de coaja exterioară.
Tehnologiile de design existente s-au bazat în mare parte pe „structuri simetrice perfecte” derivate computațional, ceea ce limitează sever dimensiunea și complexitatea structurilor realizate dintr-un singur bloc de construcție proteic.
Replicarea planului naturii: Quasisimetria
În contrast, virusurile întâlnite în natură utilizează un singur tip de proteină repetat de sute până la mii de ori, ajustând subtil poziția și mediul local al fiecărei proteine pentru a construi cochilii masive. Acest principiu este cunoscut sub numele de quasisimetrie, iar acest studiu a implementat cu succes acest principiu natural sofisticat în designul proteinelor artificiale.
Echipa de cercetare a recunoscut că cheia pentru extinderea dimensiunii cochiliei virale constă în unghiurile și curburile dintre blocurile de construcție proteice. Atunci când proteinele sunt aranjate prea plat, cochilia nu se închide; când curburile sunt prea mari, structura devine prea mică. Prin inginerizarea precisă a acestui echilibru, echipa a indus unei singure proteine să ocupe simultan atât medii pentagonale, cât și hexagonale, în funcție de poziția sa în asamblare.
Pentru a realiza acest lucru, a fost utilizată o unitate trimerică – un grup de trei proteine – ca bloc de construcție de bază, iar RFdiffusion, un instrument AI pentru generarea structurii proteice, a fost folosit pentru a proiecta structuri de conectare inovatoare. La fel ca în cazul stivuirii blocurilor de construcție interconectate la unghiuri diferite, abordarea a permis proteinelor să se potrivească în orientări variate, producând o cochilie masivă în formă de dom, mai degrabă decât o foaie plată.
Verificarea experimentală prin microscopie crio-electronică
Echipa a produs proteinele artificiale proiectate utilizând E. coli și a observat morfologia acestora folosind microscopie crio-electronică de ultimă generație. Rezultatele au confirmat că proteinele s-au asamblat spontan în cochilii sferice, cu dimensiuni cuprinse între un minim de 70 nm și un maxim de 220 nm. Cea mai mică structură a avut forma unui „nano-minge de fotbal” elaborată, în timp ce cea mai mare era de peste trei ori mai mare.
Semnificația și perspectiva viitoare
Această cercetare a atras o atenție semnificativă din partea comunității științifice, deoarece nu a reutilizat proteine virale existente, ci a folosit o singură proteină artificială, proiectată complet prin AI, pentru a construi liber structuri mari asemănătoare virusurilor. Dacă va fi comercializată, această tehnologie este așteptată să permită aplicații revoluționare în domeniul biomedical, inclusiv sisteme de livrare țintită a medicamentelor și materialelor genetice, precum și platforme pentru prezentarea antigenelor vaccinurilor. Se planifică cercetări ulterioare pentru a obține un control mai uniform al dimensiunii, utilizând proteine de schelet interne sau acizi nucleici ca șabloane.
În plus, un studiu conex despre structurile proteice artificiale, condus de prof. Baker, cu contribuția prof. Sangmin Lee, a fost publicat în Nature în aceeași dată.
Aceasta face ca prof. Sangmin Lee să fie autor coresponsabil pe o lucrare și co-autor pe alta publicată simultan în cea mai importantă revistă științifică din lume – o realizare remarcabilă și rară.
Comentariile cercetătorilor
„Virusurile sunt cel mai bun exemplu din natură care arată că simetria perfectă nu este singura cale spre o arhitectură moleculară sofisticată”, a declarat prof. Sangmin Lee de la POSTECH.
El a explicat că, exact așa cum modificările subtile ale unghiului dintre plăcile moleculare pot transforma un plan plat într-un dom masiv, acest studiu demonstrează că controlul precis al geometriei blocului proteic local permite comanda fină asupra dimensiunii și formei asamblării finale.
Sung-Soo Kim, director general pentru Politica de R&D la MSIT, a descris realizarea ca o demonstrație remarcabilă a capacității de cercetare fundamentală de clasă mondială a unui om de știință coreean, realizată prin colaborarea cu un laureat al Premiului Nobel. El a adăugat că „MSIT va continua să ofere suport neclintit pentru a avansa capacitatea de cercetare a oamenilor de știință coreeni și pentru a genera rezultate de pionierat la nivel global.”
