Nobeli auhindadega tunnustatakse tavaliselt aastakümnete vanuseid saavutusi. Kuid selle aasta keemiapreemia anti eelmisel nädalal osaliselt välja väga hiljutise töö eest, mis alles hakkab vilja kandma: tehisintellekti (AI) kasutamine varem nägemata valkude disainimiseks. Valgud on elu töömolekulid, mida on looduses miljoneid, kuid uued valgud võivad muuta meditsiini ja tehnoloogiat. Uued tööriistad on juba võimaldanud teadlastel luua valke vaktsiinide ja vähiravi jaoks, kunstlikke reostust söövaid ensüüme ja molekulaarseid ühendusi, mis on võimelised mineraalide kasvu soodustama. „Me oleme alles alguses, kui õpime, mida me saame ehitada,“ ütleb Possu Huang, Stanfordi ülikooli valkude disainer.
Pool selle aasta 1,1 miljoni dollari suurusest auhinnast läks John Jumperile ja Demis Hassabisele Google'i DeepMindist, kes töötasid välja AlphaFoldi, tehisintellekti programmi, mis on peaaegu lahendanud kurikuulsa valkude voltimise probleemi: valgu kuju ja seega ka funktsiooni ennustamine selle keemilise järjestuse põhjal. 2020. aastal näitasid Jumper ja Hassabis, et AlphaFold 2, mis on treenitud valgude struktuuride ja nende animohapete järjestuste tohutute andmebaaside põhjal, oli paljudel juhtudel sama hea valkude kuju prognoosimisel kui meetodid, mis kujutavad neid otse, näiteks röntgenkristallograafia. Teise poole auhinnast sai David Baker Washingtoni Ülikoolist (UW) pöördprobleemi lahendamise eest: valgu soovitud funktsioonist läheb see aminohappejärjestus, mis voldituks molekuliks, mis suudab seda ülesannet täita.
Baker ütleb, et idee valmistada uudne valk tellimustööna „oli kuidagi hullumeelsete piiride peal“. Kuid 2003. aastal näitasid ta ja tema kolleegid, et see on võimalik, kasutades tarkvara nimega Rosetta, mis kammis läbi teadaolevate valkude struktuuride andmebaasid, et otsida punkte, mis võiksid olla kasulikud uues, hüpoteetilises valges.
Ühe varajase demonstratsiooni käigus sülitas Rosetta välja 93 aminohappe järjestuse, mis teoreetiliselt moodustaks valgu nimega Top7, mille kuju ei ole bioloogias kasutusel. Kujunduse kinnitamiseks sünteesis Baker'i töörühm Top7-d kodeeriva geeni ja ühendas selle bakteritesse. Nad korjasid toodetud valgu ja pommitasid seda röntgenikiirgusega, et teha kindlaks, et selle struktuur vastab peaaegu prognoositule. Kuigi Top7 ei täitnud ühtegi olulist funktsiooni, olid tagajärjed revolutsioonilised. „Me saame nüüd disainida peaaegu iga valgu kuju, mida me tahame,“ ütleb Casper Goverde, Šveitsi Tehnoloogiainstituudi Lausanne'i valkude disainer.
Pärast Bakeri esimesi katseid on valkude projekteerimise tarkvara sisaldanud üha võimsamaid tehisintellekti meetodeid. Juunis teatas Huangi töörühm näiteks Protpardelle'i mudelist, mis on mõeldud mitte ainult valgu üldise „selgroo“, vaid ka selle äärealadel asuvate konkreetsete aatomikogumite - nn „külgahelate“ - projekteerimiseks, mis on kriitilise tähtsusega funktsiooni jaoks. Selle aasta alguses esitlesid teadlased, keda juhib Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi arvutiteadlane Bonnie Berger, tarkvara nimega OmegaFold, mis on parem „harvaesinevate“ valkude projekteerimiseks, mille puhul on looduses vähe lähedasi sugulasi, millest projekteerimisprotsessis juhinduda. „Tänapäeval liiguvad asjad väga kiiresti,“ ütleb Berger.
Vaktsiinid on olnud varajane tulu. 2020. aastal, vahetult pärast COVID-19 pandeemia algust, konstrueerisid UW teadlased valgud, mis kinnitusid SARS-CoV-2 spike'i valgu konkreetsele osale ja blokeerisid viiruse tungimist inimrakkudesse. Spike'i valgu selle osa tuvastamine võimaldas neil kavandada vaktsiini, mis paigutas kümneid koopiaid kriitilisest valguosast ümber valgu südamiku, et treenida immuunsüsteemi SARS-CoV-2 samade struktuuride äratundmiseks ja inaktiveerimiseks. Pärast edukaid inimkatsetusi kiideti vaktsiin nimega SKYCovione eelmisel aastal heaks kasutamiseks Lõuna-Koreas ja Ühendkuningriigis, kuigi selle tootmine on nüüd pandeemia vähenemise tõttu peatatud. UW teadlased töötavad teiste vaktsiinide, sealhulgas laia spektriga gripivaktsiini kallal, mis võib kaotada vajaduse iga-aastase vaktsiini korduvkordamise järele, ja vaktsiini hingamisteede süntsiaalviiruse vastu, mis on peamine väikelaste ja eakate inimeste surmajuht.
Projekteerijad töötavad välja ka valke, mis otsivad vähirakkude pinnal olevaid eripäraseid molekule ja seonduvad nendega, märgistades neid keemiaravimite hävitamiseks - loomulikult viiruse sarnaste valgu konteinerite abil. Kuid kasvajarakke, nagu kõiki rakke, ümbritseb rasvane membraan, mis koosneb lahustumatutest valkudest. See teeb teadlastele raskeks testida lahuses olevaid ravimeid - olgu need siis keemiaravimid või vaktsiinist indutseeritud antikehad -, mis suudavad neid kõige paremini rünnata. Juunis teatas Goverde membraanvalkude ümberkujundamisest, et muuta need lahustuvaks, säilitades samal ajal kõik nende tavapärased funktsioonid. „Seejärel saame neid kasutada selleks, et leida antikehi, mis on suunatud tõelise asja vastu,“ ütleb Goverde.
Kasvajad ei ole ainus meditsiiniline sihtmärk. Mais avaldatud eelväljaandes teatasid Baker ja kolleegid disainervalkudest, mis suudavad kinnituda mägede, näiteks kobra mürgiste mürkide külge, takistades neil närviretseptoritega seonduda. Hiirtele süstimisel kaitsesid valgud loomi tavapäraselt surmava mürgistusannuse eest, neutraliseerides toksiine. Konstrueeritud valgud on väikesed, mis muudab need stabiilsemaks kui traditsioonilised suured valgud, mis lagunevad kiiresti, kui neid ei jahutata. Teadlased näevad ette pliiatsilaadset süsti, mida saab kaasas kanda, et seda saaks kasutada kohe pärast madu hammustust.
Tekkimas on ka mittemeditsiinilised rakendused. Näiteks 2018. aastal teatasid Parisa Hosseinzadeh, kes praegu töötab Oregoni Ülikoolis, ja tema kolleegid, et nad kavandasid valgukatalüsaatori, mis võiks kaitsta toiduainete tootmist saasteainete eest, aidates kinni püüda mürgiste metallide aatomeid. Hosseinzadehi töörühm töötab praegu ensüümide kallal, et lagundada keskkonnas leiduvat plasti. Eelmisel aastal püüdsid Weizmanni teadusinstituudi valkude disainer Sarel Fleishman ja tema kolleegid täiustada loodust, valmistades uusi ensüüme, mis aitaksid põllumajandusjäätmeid biokütusteks muundada. Nad otsisid parimad komponendid looduslikest ensüümidest, mida nimetatakse ksülanaasideks ja mida mikroobid kasutavad taimede rakuseinte lagundamiseks, ning segasid ja sobitasid neid, et toota tuhandeid uusi ksülanaase. „Me näeme üha rohkem jõupingutusi, et kasutada valkude disaini, et kohandada ensüüme nii, et nad saaksid teha seda tööd, mida me tahame,“ ütleb Hosseinzadeh.
Tehisintellekti valkude disainimine võib keskkonnale kasu tuua ka muul viisil. Baker'i töörühm on juba näidanud, et on võimalik parandada süsinikdioksiidi püüdvate ensüümide tõhusust, mis võiks viia paremate suitsuahjude puhastusseadmete väljatöötamiseni kliimamuutuste vastu võitlemiseks. Ta ütleb, et nad valmistuvad nüüd uurima, kas nad suudavad luua ensüüme metaani, veelgi tugevama kasvuhoonegaasi, püüdmiseks.
Veelgi kaugemal on Huangi töörühm hakanud mõtlema müosiiniks kutsutud valgu, mis juhib lihaste kokkutõmbumist, ümbertöötlemisele, et see saaks ATP, keha tavapärase keemilise kütuse asemel energiat valguse abil. Kui see õnnestub, võib see lõpuks viia valgusjõul töötavate tehislihaste loomiseni.
„See on praeguses etapis pigem ulme,“ ütleb Huang. Vähemalt praegu. Kuid nii kiiresti, nagu valgude disain areneb, ei ole see võib-olla enam kauaks.
Lisateave: https://www.science.org/content/article/ai-designer-proteins-could-transform-medicine-and-materials
