Wetenschappers hebben een systeem van ‘biologische kunstmatige intelligentie’ gecreëerd

Australische wetenschappers hebben met succes een onderzoekssysteem ontwikkeld dat gebruikmaakt van "biologische kunstmatige intelligentie" om moleculen met nieuwe of verbeterde functies rechtstreeks in zoogdiercellen te ontwerpen en te ontwikkelen. De onderzoekers stellen dat het systeem een krachtig nieuw instrument is dat wetenschappers kan helpen bij de ontwikkeling van specifiekere en effectievere onderzoeksmedicijnen of gentherapieën.

Het systeem, PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), maakt gebruik van een methode genaamd "directed evolution", een laboratoriumtechniek die de natuurlijke kracht van evolutie nabootst. Maar in plaats van jaren of decennia te duren, versnelt het de cycli van evolutie en natuurlijke selectie, waardoor moleculen met nieuwe functies in slechts een paar weken worden gecreëerd.

Dit zou een directe impact kunnen hebben op de zoektocht naar nieuwe, effectievere medicijnen. Het systeem zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om genbewerkingstechnologieën zoals CRISPR te verbeteren en effectiever te maken.

"Dit betekent dat PROTEUS gebruikt kan worden om nieuwe moleculen te genereren die geoptimaliseerd zijn om in ons lichaam te functioneren. We kunnen zo nieuwe medicijnen creëren die met de huidige technologie moeilijk of onmogelijk te creëren zouden zijn", aldus medeauteur van de studie, professor Greg Neely, hoofd van het Dr. John en Anne Chong Functional Genomics Laboratory aan de Universiteit van Sydney.

"De nieuwigheid van ons werk is dat gerichte evolutie voornamelijk werkt in bacteriële cellen, terwijl PROTEUS moleculen kan laten evolueren in zoogdiercellen."

Het PROTEUS-systeem kan problemen met een onzekere oplossing oplossen – vergelijkbaar met hoe een gebruiker zoekopdrachten invoert in een platform voor kunstmatige intelligentie. Het probleem kan bijvoorbeeld zijn hoe je een ziektegen in iemands lichaam effectief kunt 'uitschakelen'.

PROTEUS gebruikt vervolgens gerichte evolutie om miljoenen mogelijke sequenties te verkennen die nog niet in de natuur voorkomen, en vindt moleculen met eigenschappen die zeer specifiek zijn afgestemd op het probleem. Dit betekent dat PROTEUS oplossingen kan vinden waar een menselijke onderzoeker jaren over zou doen – als ze die überhaupt zouden kunnen vinden.

De wetenschappers meldden dat ze met behulp van PROTEUS verbeterde versies van eiwitten hebben ontwikkeld die gemakkelijker met medicijnen te reguleren zijn, evenals nanobodies (miniversies van antilichamen) die DNA-schade kunnen detecteren, een belangrijk proces dat bijdraagt aan de ontwikkeling van kanker. Zoals de auteurs echter benadrukken, beperkt de toepassing van PROTEUS zich niet tot dit: het kan worden gebruikt om de functie van de meeste eiwitten en moleculen te verbeteren.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications. Het onderzoek werd uitgevoerd in het Charles Perkins Centre van de Universiteit van Sydney, in samenwerking met onderzoekers van het Centenary Institute.

De ontdekking van moleculair machinaal leren

De oorspronkelijke ontwikkeling van de gerichte evolutiemethode, voor het eerst toegepast bij bacteriën, werd in 2018 bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde.

"De uitvinding van gerichte evolutie veranderde de koers van de biochemie. Nu kunnen we met PROTEUS een zoogdiercel programmeren om een genetisch probleem op te lossen waarvoor we geen pasklaar antwoord hebben. Als we het systeem continu laten draaien, kunnen we regelmatig monitoren hoe het het probleem oplost", aldus hoofdonderzoeker dr. Christopher Denes van het Charles Perkins Centre en de School of Life and Environmental Sciences.

De grootste uitdaging voor Denes en zijn team was hoe ze een zoogdiercel bestand konden maken tegen meerdere evolutiecycli en mutaties, terwijl ze tegelijkertijd hun stabiliteit konden behouden en konden voorkomen dat het systeem 'vals speelde' door triviale oplossingen te vinden die niet voldeden aan de taak die voor hen lag.

De wetenschappers vonden een oplossing door gebruik te maken van chimere virusachtige deeltjes, een ontwerp bestaande uit de buitenste schil van één virus en de genen van een ander. Dit ontwerp voorkwam dat het systeem "vals speelde".

Het ontwerp combineerde elementen van twee zeer verschillende virusfamilies en creëerde zo het "beste van twee werelden". Het resulterende systeem stelde cellen in staat om vele verschillende mogelijke oplossingen parallel te verwerken, waarbij verbeterde oplossingen dominant werden en onjuiste oplossingen verdwenen.

"PROTEUS is stabiel, robuust en is gevalideerd in onafhankelijke laboratoria. We moedigen andere onderzoeksgroepen aan om deze methode te gebruiken. Door PROTEUS te gebruiken, hopen we de ontwikkeling van een nieuwe generatie enzymen, moleculaire tools en therapeutische middelen te stimuleren", aldus Dr. Denes.

"We hebben dit systeem opengesteld voor de onderzoeksgemeenschap en kijken ernaar uit om te zien hoe het gebruikt zal worden. Ons doel is om genbewerkingstechnologieën te verbeteren en mRNA-medicijnen te verfijnen voor krachtigere en specifiekere effecten", voegde professor Neely eraan toe.