Sztuczna inteligencja DeepMind wykorzystana do opracowania małej „strzykawki” do wstrzykiwania terapii genowej i leków zabijających nowotwory
Naukowcy opracowali molekularną „strzykawkę”, która może wstrzykiwać białka, w tym leki przeciwnowotworowe i terapie genowe, bezpośrednio do ludzkich komórek.
A naukowcy zrobili to za pomocą programu sztucznej inteligencji (AI) stworzonego przez Google DeepMind. Program AI o nazwie AlphaFold przewidział wcześniej strukturę prawie każde białko znane nauce.
Zespół zmodyfikował białko przypominające strzykawkę, które naturalnie występuje w Photorhabdus asymbiotica, gatunek bakterii, który infekuje głównie owady. Zmodyfikowana strzykawka, którą opisano w środę (29 marca) w czasopiśmie Natura (otwiera się w nowej karcie)nie został jeszcze przetestowany na ludziach, jedynie na naczyniach laboratoryjnych i żywych myszach.
Ale eksperci twierdzą, że ostatecznie strzykawka może mieć zastosowania medyczne.
„Autorzy pokazują, że to podejście można dostosować do określonych komórek i dostarczać dostosowane ładunki białkowe (ładunki)” Charlesa Ericsona (otwiera się w nowej karcie) I Marcin Pilhofer (otwiera się w nowej karcie)którzy badają interakcje komórka-komórka bakteryjna w ETH Zürich w Szwajcarii i nie byli zaangażowani w badania, napisali w załączonym dokumencie komentarz (otwiera się w nowej karcie). „Te przeprojektowane kompleksy iniekcyjne stanowią ekscytujący biotechnologiczny zestaw narzędzi, który może mieć zastosowanie w różnych systemach biologicznych” – napisali.
Powiązany: Naukowcy z DeepMind wygrywają „Przełomową nagrodę” w wysokości 3 milionów dolarów za sztuczną inteligencję, która przewiduje strukturę każdego białka
P. asymbiotyka bakterie zwykle rozwijają się w środku (otwiera się w nowej karcie) glisty zwane nicieniami i wykorzystują robaki jako konie trojańskie do inwazji na larwy owadów. Działa to w ten sposób: nicień atakuje ciało larwy i zwraca pokarm P. asymbiotyka; bakteria zabija komórki owada; a nicień żywi się mięsem umierającej larwy. W ten sposób nicienie i bakterie cieszą się piękną symbiozą.
Aby zabić komórki owadów, P. asymbiotyka wydziela maleńkie, sprężynowe strzykawki, naukowo znane jako „zewnątrzkomórkowe kurczliwe systemy wstrzykiwania”, które przenoszą toksyczne białka wewnątrz wydrążonej „igły” z kolcem na jednym końcu. Małe „ogony” rozciągają się od podstawy strzykawki — wyobraź sobie podwozie sondy kosmicznej — i te ogony wiążą się z białkami na powierzchni komórek owadzich. Po związaniu strzykawka wbija igłę w błonę komórkową, aby uwolnić swój ładunek.
W poprzednich badaniach naukowcy wyizolowali te strzykawki Photorhabdus bakterii, a także odkrył, że niektóre mogą atakować komórki myszy, a nie tylko komórki owadów. Rodziło to możliwość modyfikacji takich strzykawek do stosowania u ludzi.
Aby sprawdzić, czy ten pomysł może być wykonalny, zespół najpierw załadował pustą rurkę strzykawki wybranymi przez siebie białkami. Następnie użyli AlphaFold, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób strzykawki nakierowują się na komórki owadów, aby można je było zmodyfikować tak, aby zamiast tego celowały w komórki ludzkie. Wykorzystali system sztucznej inteligencji do przewidywania struktury dolnej części podwozia strzykawki — części, która jako pierwsza styka się z powierzchnią komórki docelowej. Następnie zmienili tę strukturę, aby przyczepiała się do białek powierzchniowych występujących tylko w ludzkich komórkach.
Bez AlphaFold naukowcy musieliby przeprowadzić tę analizę przy użyciu zaawansowanych technik mikroskopii i krystalografii, co oznacza szczegółowe badania struktury atomowej podwozia, Józef Kreitz (otwiera się w nowej karcie)doktorant w McGovern Institute for Brain Research na MIT i pierwszy autor badania, powiedział Live Science w e-mailu.
„To mogło zająć wiele miesięcy” – powiedział Kreitz. „Dzięki AlphaFold byliśmy w stanie uzyskać przewidywane struktury potencjalnych projektów włókien ogonowych niemal w czasie rzeczywistym, znacznie przyspieszając nasze wysiłki w celu przeprogramowania tego białka”.
Następnie naukowcy wykorzystali zmodyfikowane strzykawki do modyfikacji genomów komórek w naczyniach laboratoryjnych. W szczególności dostarczyli komponenty potężne narzędzie do edycji genów CRISPR-Cas9 do komórek w celu wycięcia i wklejenia fragmentów DNA do ich genomów. Zespół użył również strzykawek do wprowadzenia do komórek maleńkich nożyczek do cięcia DNA, zwanych deaminazami palca cynkowego.
Wykorzystali również system do dostarczania toksycznych białek do komórek rakowych w naczyniach laboratoryjnych. I wreszcie, wstrzyknęli strzykawki żywym myszom i odkryli, że ich ładunek można wykryć tylko w docelowych obszarach i nie wywołuje szkodliwej reakcji immunologicznej. W tym ostatnim eksperymencie zespół wykorzystał AlphaFold do zaprojektowania strzykawek ukierunkowanych na komórki myszy.
Eksperymenty te pokazują, że strzykawki mogą służyć jako „programowalne urządzenia do dostarczania białek z możliwymi zastosowaniami w Terapia genowaterapia przeciwnowotworowa i biokontrola” – podsumowali autorzy. W przeciwieństwie do terapii, które dostarczają do komórek instrukcje genetyczne, takie jak DNA lub RNA, te strzykawki przenoszące białko mogą zapewnić „lepszą kontrolę nad dawką i okresem półtrwania środka terapeutycznego w komórkach ”, Kreitz i główny autor badania Feng Zhang (otwiera się w nowej karcie) powiedział Live Science w e-mailu.
To dlatego, że instrukcje genetyczne skłaniają komórki do samodzielnego budowania białek, podczas gdy strzykawki byłyby dostarczane z odmierzoną dawką białka. Powiedzieli, że to precyzyjne dawkowanie byłoby przydatne w leczeniu obejmującym czynniki transkrypcyjne, które poprawiają aktywność genów komórki, oraz chemioterapię, która ma działanie toksyczne w wysokich dawkach.
Małe strzykawki można również potencjalnie zaprogramować do zwalczania bakterii chorobotwórczych w organizmie, napisali Ericson i Pilhofer. W przyszłości naukowcy mogą połączyć wiele strzykawek w celu utworzenia wielolufowych kompleksów. „Mogą one umożliwić dostarczenie większej ilości ładunku na komórkę docelową niż w przypadku pojedynczego systemu wtrysku” – zasugerowali.
„Jednak zauważamy, że ten system jest wciąż w powijakach; konieczne będą dalsze wysiłki, aby scharakteryzować zachowanie tego systemu na żywo zanim będzie można go zastosować w warunkach klinicznych lub komercyjnych” – powiedzieli Kreitz i Zhang w rozmowie z Live Science. Zespół bada teraz, jak dobrze strzykawki przenikają przez różne tkanki i narządy, i kontynuuje badanie, w jaki sposób układ odpornościowy reaguje na nowy system dostarczania białka .
