Исследователи из Сиднейского Университета (Австралия) разработали уникальную систему под названием PROTEUS (Protein Evolution Using Selection), которая позволяет буквально «обучать» молекулы внутри клеток млекопитающих. Эта технология может существенно ускорить создание новых лекарств, улучшить инструменты генной терапии и даже помочь в лечении рака. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
В основе PROTEUS лежит принцип направленной эволюции — метода, за который в 2018 году была вручена Нобелевская премия. Его суть в том, что молекулы (чаще всего белки) многократно мутируют, а ученые отбирают те варианты, которые лучше всего справляются с заданной функцией. В классических экспериментах этот процесс происходит в бактериях и занимает месяцы или даже годы. PROTEUS переносит этот механизм в клетки млекопитающих, приближая эксперименты к реальным условиям человеческого организма и сокращая цикл эволюции до нескольких недель.
Это открывает широчайшие перспективы. Например, с помощью PROTEUS можно:
улучшить белки, участвующие в борьбе с болезнями;
«прокачать» элементы систем редактирования генома (вроде CRISPR);
точнее настраивать мРНК-лекарства;
проектировать молекулы, работающие в организме эффективнее и с меньшими побочными эффектами.
«Теперь мы можем запрограммировать клетку с генетической проблемой, и система будет сама искать лучшее решение — как AI, но на уровне белков», — объясняет доктор Кристофер Денес, ведущий автор исследования
Ученые вводят в клетку генетическую задачу — например, как выключить «плохой» ген, связанный с болезнью. Система начинает эволюционировать молекулы, перебирая миллионы вариантов, пока не находит те, что лучше всего справляются с задачей. Победившие молекулы продолжают развиваться, а неэффективные — отбрасываются.
Важной особенностью PROTEUS является то, что она работает именно в клетках млекопитающих, а не бактериях, как раньше. Это делает результаты более применимыми к человеку.
Однако, чтобы такая система не «читерила» — не искала обходных путей вместо настоящего решения — ученым пришлось изобретать нестандартные инструменты. Так, они создали химерные вирусоподобные частицы: это неопасные оболочки вирусов, соединенные с генами других вирусов. Такая конструкция делает систему устойчивой, заставляя ее «играть по правилам».
«Это как задать искусственному интеллекту сложную задачу и наблюдать, как он ищет путь. Только вместо кода — живая биология», — говорит профессор Грег Нили, руководитель Лаборатории функциональной геномики в Сиднейском университете.
Система уже продемонстрировала практическую ценность. С ее помощью ученые:
улучшили белок, отвечающий за регуляцию активности генов, сделав его чувствительным к лекарствам;
разработали нанотела — крошечные антитела, способные обнаруживать повреждение ДНК, что особенно важно при ранней диагностике и терапии рака;
доказали, что PROTEUS может быть применим ко множеству других белков и молекул.
Исследования проводились в сотрудничестве с учеными Института Столетия (The Centenary Institute).
«Мы сделали PROTEUS с открытым исходным кодом. Любая лаборатория может использовать эту систему для создания новых ферментов, биоинструментов и препаратов будущего», — подчеркивает доктор Денес.
Таким образом, PROTEUS открывает новую эру в биотехнологиях: где не только компьютеры, но и сами клетки становятся лабораториями — и решают задачи, на которые у человека ушли бы годы.
Биофизики напечатали 3D-слона внутри живой клетки — первый шаг к управлению изнутри
Выращенный в лаборатории мозг научился играть в понг
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram