Univerzitet Vestlejk u Kini i Kalifornijski institut za tehnologiju dizajnirali su sistem zasnovan na proteinima unutar živih ćelija koji može da obrađuje više signala i donosi odluke na osnovu njih.
Istraživači su takođe uveli jedinstveni termin, „perceptein“, kao kombinaciju proteina i perceptrona. Perceptron je osnovni koncept veštačke neuronske mreže, koji efikasno rešava probleme binarne klasifikacije mapiranjem ulaznih karakteristika u izlaznu odluku.
Spajanjem koncepata iz teorije neuronskih mreža sa proteinskim inženjeringom, „perceptein“ predstavlja biološki sistem sposoban da izvrši klasifikacijske proračune na nivou proteina, slično osnovnoj veštačkoj neuronskoj mreži. Ovo kolo „percepteina“ može klasifikovati različite signale i reagovati u skladu sa tim, kao što je odluka da ostane živ ili da se podvrgne programiranoj smrti ćelije.
Ćelije prirodno obrađuju višestruke klasifikacione znakove, kao što su stres i razvojni signali, da bi pokrenule ćelijske funkcije sa različitim ishodima. Imunske ćelije reaguju na pretnje na osnovu signala koje detektuju. P53 signalni put određuje da li da popravi oštećenje ili da se samounište da bi se sprečio rak.
Naučnici su se borili da stvore veštačke sisteme koji mogu da repliciraju ovaj proces donošenja odluka unutar ćelija. Većina postojećih pokušaja se oslanja na DNK ili RNK, što može biti sporo i manje direktno. Umesto sistema zasnovanih na DNK, istraživači su izgradili svoj krug za donošenje odluka sa proteinima, de novo proteinskim heterodimerima i konstruisanim proteazama.
Stvaranjem proteinskih parova koji se vezuju zajedno na specifične načine, proteini se uređuju u mrežu percepteina, gde se neki proteini sami aktiviraju, a drugi inhibiraju. Ovo osigurava da kada je prisutno više signala, samo najjači pokreće reakciju, ignorišući slabije signale.
U studiji, „Neuronska mreža na nivou sintetičkog proteina u ćelijama sisara“, objavljenoj u Science , istraživači su pokazali da kola percepteina mogu razlikovati ulaze signala sa podesivim granicama odluke, nudeći mogućnost kontrole složenih ćelijskih odgovora bez regulacije transkripcije.
Tim je sastavio šest komponenti proteina percepteina i dva ulazna proteina neophodna za kompletno kolo sa dva ulaza i dva izlaza. Odabrali su dve dobro poznate proteaze, proteazu virusa split duvana jetkanja i proteazu virusa mrlja duvanskih vena, i spojili ih na način koji kontroliše cepanje i degradaciju proteaze.
Da bi testirali aktivaciju percepteinskog kola, istraživači su konstruisali stabilnu reportersku ćelijsku liniju bubrega ljudskog embriona. Ova ćelijska linija je sadržala konstrukt koji je istovremeno eksprimirao dva fluorescentna proteina: citrin i mCherri.
Svaki fluorescentni protein je označen sa N-degronom aktiviranim cepanjem (signal degradacije) specifičnim za jednu od dve ulazne proteaze u kolu percepteina. Kada je odgovarajuća proteaza bila aktivna, ona bi cepala degron, smanjujući fluorescenciju. Ova postavka je omogućila istraživačima da vizuelno i kvantitativno procene aktivnost na osnovu nivoa fluorescencije. Tim je potvrdio da je svaka varijanta proteaze specifično smanjila fluorescenciju samo od svog ciljnog reportera.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Dalji koraci validacije su pokazali da su ulazni proteini ispravno rekonstituisali svoje ciljne proteaze. Promenom nivoa komponenti percepteina, mogli su efikasno da fino podese ishode odluke, a performanse su ostale jake čak i kada je vreme unosa variralo ili je uvedena buka.
Da bi prikazali praktičnu primenu, istraživači su povezali izlaz percepteinskog kola sa putem apoptoze kaspaze-3. Ova veza je omogućila kolu da pokrene smrt ćelije na osnovu specifičnih ulaznih uslova, transformišući izlaze zasnovane na fluorescenciji u odluke o životu ili smrti za ćelije.
Studija pokazuje izvodljivost konstruisanja kola inspirisanih veštačkom neuronskom mrežom u ćelijama sisara koristeći sintetičke proteine za obavljanje složenih klasifikacija signala. Ova kola imaju potencijalnu primenu u programabilnim terapijama, gde ćelije mogu da reaguju na signale specifične za bolest sa prilagođenim izlazima, kao što je selektivna apoptoza ili drugi ćelijski odgovori.
Takođe postoje očigledne implikacije za konstruisanje složenih računarskih sistema od interakcionih proteina kao oblika veštačke inteligencije zasnovane na biologiji, iako su takva razmatranja izvan delokruga trenutnih istraživačkih napora.
