ИИ против болезни Альцгеймера: созданы молекулярные «ножницы» с ускорением реакции в 10 миллиардов раз
iXBT.com ·
Учёные из лаборатории Дэвида Бейкера в Вашингтонском университете использовали искусственный интеллект для создания искусственных протеаз — ферментов, которые разрезают белки в строго определённых местах. В одном из вариантов разработанной конструкции скорость разрыва нужной химической связи выросла в 10 миллиардов раз относительно фонового уровня реакции. Команда также создала протеазы, способные воздействовать на белки, связанные с нейродегенеративными заболеваниями.
Белки состоят из цепочек аминокислот, соединённых пептидными связями. В воде такие связи без участия ферментов могут сохраняться сотни лет. Протеазы ускоряют их разрыв, причём разные ферменты распознают разные участки белков. Учёные решили использовать ИИ, чтобы создавать такие катализаторы с заданной структурой и способностью распознавать определённую последовательность аминокислот.
Для разработки ферментов применили 2 инструмента. RFdiffusion2 формировал основу белковой структуры с учётом расположения аминокислот, необходимых для химической реакции, и заданного участка будущего разреза. Затем ProteinMPNN подбирал аминокислоты, которые должны были обеспечить правильное сворачивание белка, работу активного центра и взаимодействие с целевой молекулой. Структуры полученных вариантов оценивали с помощью AlphaFold3. Команда разработала десятки конструкций на основе 2 типов природных протеаз: цинковой, обнаруженной в пищеварительной системе рака, и цистеиновой, взятой из дрожжей.
Первые результаты показали, что одной правильной структуры недостаточно для эффективной работы фермента. Среди 69 вариантов цистеиновой протеазы работоспособными оказались 13, что около 19%. В серии цинковых протеаз первоначальные конструкции часто демонстрировали слабую активность. Проблему удалось частично решить, задав положение молекулы воды, которая участвует в реакции: активность проявили 35 из 38 разработанных таким способом вариантов.
Затем учёные начали изменять аминокислоты вблизи активного центра, не участвующие непосредственно в катализе. Некоторые замены заметно повысили эффективность ферментов. Лучший вариант цистеиновой протеазы ускорял разрыв пептидной связи в 10⁹ раз и сохранял высокую избирательность по отношению к заданной последовательности. Улучшенная цинковая протеаза стала в 30 раз активнее исходной конструкции и ускоряла реакцию в 10¹⁰ раз. При этом высокая скорость сама по себе не гарантировала точности: один из наиболее активных вариантов цинковой протеазы недостаточно избирательно разрезал белки.
В качестве отдельной проверки команда разработала цинковые протеазы, нацеленные на белки, связанные с болезнью Альцгеймера и лобно-височной деменцией. В результате удалось получить фермент, способный разрезать заданный белок в клетках.
До практического применения в медицине остаются некоторые препятствия. Белки трудно доставлять в нужные ткани и клетки, а сами ферменты могут вызывать иммунный ответ. Если мишень находится внутри клетки, то может потребоваться доставка генетической инструкции, чтобы клетка сама производила нужную протеазу. Кроме того, нынешние ИИ-инструменты хорошо справляются с проектированием структуры, но не позволяют напрямую задавать требуемую каталитическую активность. Работа доказывает, что искусственные ферменты можно создавать под конкретные молекулярные мишени, однако их эффективность и пригодность для лечения ещё предстоит улучшать и проверять.