Białka to fundamentalne elementy życia. Działają jako enzymy, przeciwciała, systemy transportowe oraz kluczowe elementy strukturalne naszych organizmów. Ich wieloaspektowe zastosowanie nie ogranicza się jedynie do biologii naturalnej – naukowcy coraz częściej projektują białka od podstaw, tworząc tzw. de novo białka, które nie występują w naturze. Te sztuczne białka mają potencjał w rewolucjonizowaniu terapii medycznych, diagnostyki czy przemysłu chemicznego. Nowa metoda opracowana przez międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem Hendrika Dietza z Technische Universität München (TUM) oraz Sergeya Ovchinnikova z MIT otwiera jeszcze szersze możliwości w projektowaniu białek dzięki zaawansowanym algorytmom sztucznej inteligencji.
Przełomowe wykorzystanie AlphaFold2 i nagroda Nobla
Ostatnie lata przyniosły znaczące przełomy w dziedzinie projektowania białek, czego ukoronowaniem była Nagroda Nobla z chemii w 2024 roku. Przyznano ją Davidowi Bakerowi za pionierskie prace nad de novo białkami oraz twórcom oprogramowania AlphaFold2, Demisowi Hassabisowi i Johnowi Jumperowi. AlphaFold2 pozwala z dużą dokładnością przewidywać struktury białek na podstawie sekwencji ich aminokwasów, co otworzyło nową erę w biologii strukturalnej.
Zespół Dietza i Ovchinnikova poszedł o krok dalej, łącząc możliwości AlphaFold2 z podejściem opartym na tzw. zstępowaniu gradientowym (ang. gradient descent). Metoda ta, znana z uczenia maszynowego, pozwala na optymalizację modeli poprzez stopniowe przybliżanie się do najlepszego rozwiązania. W przypadku białek umożliwia to porównanie przewidywanej struktury z docelową i iteracyjne optymalizowanie łańcucha aminokwasowego, aby uzyskać stabilne i funkcjonalne białko.
Wirtualne nakładanie budulców jako nowa strategia
Nowa metoda różni się od tradycyjnych podejść dzięki innowacyjnemu procesowi projektowania. Zamiast ograniczać się do wyboru jednego z 20 naturalnych aminokwasów w każdej pozycji łańcucha białkowego, naukowcy zastosowali technikę wirtualnego nakładania wszystkich możliwych wariantów. Jak wyjaśnia Christopher Frank, doktorant i pierwszy autor badania, proces ten pozwala na iteracyjne optymalizowanie struktury, zanim zostanie ona przekształcona w rzeczywistą sekwencję białka, możliwą do odtworzenia w laboratorium.
„Projektowanie zaczynamy od ignorowania fizycznych ograniczeń, co daje nam większą swobodę w eksplorowaniu nowych możliwości. Następnie, dzięki iteracjom, zbliżamy się do idealnej struktury, którą można wytworzyć w laboratorium.” – Christopher Frank
Choć wirtualne nakładanie budulców nie może być bezpośrednio przełożone na rzeczywiste białko, stanowi ono kluczowy krok w procesie optymalizacji. Pozwala to na osiągnięcie struktury, która jest możliwa do odtworzenia i spełnia założone cele funkcjonalne.
Test rzeczywistości: skuteczność projektowanych białek
Najważniejszym sprawdzianem dla nowych białek jest porównanie ich rzeczywistej struktury z tą przewidywaną oraz ocena ich zdolności do pełnienia zamierzonych funkcji. Zespół badawczy zaprojektował wirtualnie ponad 100 nowych białek, a następnie zsyntetyzował je w laboratorium i poddał eksperymentalnym testom. Wyniki były obiecujące – struktury wytwarzane w laboratorium okazały się zaskakująco zbieżne z konstrukcjami przewidywanymi komputerowo.
Dzięki tej metodzie naukowcy uzyskali białka składające się z aż 1000 aminokwasów. To przełomowe osiągnięcie, ponieważ pozwala projektować białka o rozmiarach zbliżonych do przeciwciał, które mogą mieć wiele zintegrowanych funkcji. Jak tłumaczy Hendrik Dietz, otwiera to nowe możliwości, m.in. w projektowaniu białek zdolnych do rozpoznawania i neutralizowania patogenów.
Potencjał nowej metody
Nowatorskie podejście do projektowania dużych białek może zrewolucjonizować wiele dziedzin nauki i technologii. Sztuczne białka mogą znaleźć zastosowanie w medycynie jako precyzyjne leki, w diagnostyce jako biosensory oraz w przemyśle chemicznym jako enzymy katalizujące reakcje. Dzięki integracji zaawansowanych technologii AI, takich jak AlphaFold2, oraz metod optymalizacji, naukowcy stają się coraz bardziej zdolni do projektowania białek o niespotykanych wcześniej właściwościach. To kolejny dowód na to, jak technologia zmienia nasz świat i otwiera drzwi do innowacji, które jeszcze kilka lat temu były jedynie wizją przyszłości.
