Platforma MIDAS accelerează ingineria proteinelor printr-un screening rapid bazat pe PCR
Proteinele sunt esențiale atât pentru viață, cât și pentru industrie. Există nenumărate proteine care ar putea fi modificate pentru a trata și chiar a vindeca boli grave și disfuncții celulare. Aplicațiile industriale sunt, de asemenea, promițătoare, proteinele fiind folosite din ce în ce mai mult ca enzime în producția alimentară și în detergenți.
Deși inteligența artificială poate sugera îmbunătățiri, fiecare proteină nouă trebuie creată în lumea reală și testată pentru performanță. Aceasta este o activitate laborioasă, ce implică construirea instrucțiunilor ADN pentru fiecare proteină în drojdii sau bacterii și creșterea de clone individuale pentru producția și testarea proteinelor. Procesul poate dura multe zile pentru o singură proteină de interes și chiar mai mult dacă proteina trebuie testată în celule mamifere, ceea ce necesită recuperarea ADN-ului din microbi pentru transfer în celulele mamifere.
Într-un nou articol, Michael Z. Lin, un profesor de neurobiologie și bioinginerie în școlile de Inginerie și Medicină, și colegii săi, Yan Wu în bioinginerie și Pengli Wang în inginerie chimică, au reușit să reducă semnificativ timpul necesar pentru construirea și testarea proteinelor la doar 24 de ore. Ei denumesc abordarea lor MIDAS, acronim pentru Microbe-Independent Deep Assembly and Screening. MIDAS ar putea accelera rapid cercetarea biologică în domenii precum oncologia și științele mediului. Studiul care introduce MIDAS a fost publicat în revista Molecular Systems Biology.
„Întrebările fundamentale ale biologiei moleculare rămân: cum putem crea proteine mai bune și cum putem înțelege ce face o proteină să funcționeze?” afirmă Lin. „Realizarea acestei lucrări consumă timp și resurse valoroase, dar am găsit o modalitate de a reduce dramatic aceste cerințe.”
Lin și colegii săi au ocolit procesul tradițional de asamblare microbiană prin utilizarea unei tehnici de replicare genetică cunoscută sub numele de reacția de polimerază în lanț (PCR). PCR poate amplifica segmente liniare de ADN în milioane sau miliarde de copii foarte repede. Folosind PCR pentru a construi gene întregi utilizate de celulele mamifere pentru a exprima o proteină dată, au evitat necesitatea clonării microbiene și a transferului de ADN. Variantele de gene produse prin PCR pot fi transferate direct în celulele mamifere pentru analiza funcțională.
„Cu MIDAS, putem primi primeri PCR dimineața, asambla genele necesare până la prânz, iar până la sfârșitul după-amiezii transferăm genele în celule pentru a observa cum funcționează proteinele. Și putem face asta pentru sute sau mii de variante de proteine în paralel,” afirmă Yan Wu, coautor principal.
În ingineria proteinelor tradiționale, atunci când cercetătorii identifică o variantă promițătoare, trebuie să asambleze și să cloneze gena care exprimă proteina într-o structură genetică circulară cunoscută sub numele de plasmid. Apoi, trebuie să transfere plasmidele modificate în ADN-ul bacteriilor sau al drojdiilor pentru a produce cantități adecvate din fiecare plasmid unic, care trebuie apoi transferat în celulele mamifere pentru validare.
Acest proces de clonare și transfer este laborios, lent și costisitor, limitând semnificativ numărul de variante care pot fi evaluate. MIDAS schimbă această dinamică. Insight-ul cheie al echipei lui Lin a fost să renunțe la plasmidele circulare, care nu sunt compatibile cu PCR. În schimb, ei tratează ADN-ul ca informație liniară, ideală pentru PCR. Aceasta le permite să asambleze sute de variante de gene simultan și să le transfere direct în celulele mamifere pentru a identifica rapid și rentabil cele mai performante variante.
„Am decis că nu există nimic magic în structura circulară a plasmidelor,” spune Lin. „Pentru PCR, ai nevoie doar de datele genetice. A fost momentul inspirației.”
Un test practic de 384 de variante folosind MIDAS a necesitat aproximativ patru ore de muncă de laborator și în jur de 2.000 de dolari în reactivi. Prin metodele existente, un cercetător experimentat ar avea nevoie de aproximativ 192 de ore și de 20.000 de dolari în reactivi pentru a evalua doar 24 de variante. Cercetătorii calculează că MIDAS este aproape de 50 de ori mai rapid și de zece ori mai ieftin decât abordările bazate pe clonare.
MIDAS ar putea avea implicații imediate în cercetarea biologică. În primul rând, ar trebui să accelereze studiile importante asupra enzimelor și biosenzorilor, spun cercetătorii. În al doilea rând, ar putea îmbunătăți producția automată de primeri PCR care sunt ideal adaptați pentru roboții moderni de manipulare a lichidelor, care pot evalua sute de proteine noi simultan. În cele din urmă, și poate cel mai important, ei cred că MIDAS ar putea genera seturi de date de fitness secvențial mai bune și mai mari, care ar putea îmbunătăți antrenarea AI bazate pe date, conducând la modele de proiectare moleculară din ce în ce mai puternice.
„Am folosit MIDAS nu doar pentru a găsi cea mai performantă variantă a unei proteine, ci și pentru a înțelege cât de bine funcționează variantele înrădăcinate, informație pe care o putem folosi pentru a antrena modelele AI,” afirmă coautor principal Pengli Wang. „MIDAS este atât de simplu încât putem folosi pentru a crea seturi mari de date foarte repede.”
Privind înainte, Lin crede că MIDAS ar putea genera căutări combinatoriale mai profunde, integrare mai strânsă cu roboții și generarea de hărți de fitness molecular-secuență pentru a alimenta modele de învățare automată îmbunătățite, care pot impulsiona proiectarea computațională și validarea experimentală.
„MIDAS este cu siguranță cu un ordin de magnitudine mai rapid în validarea din lumea reală,” conchide Lin. „Comprimă ciclul de proiectare-construire-testare pentru proteine la doar câteva zile, iar noi credem că ar putea conduce la progrese rapide în biologia moleculară inspirată de AI.”
