Većina života na Zemlji zasniva se na polimerima od 20 aminokiselina koji su evoluirali u stotine hiljada različitih, visoko specijalizovanih proteina. Oni katalizuju reakcije, formiraju kičmu i mišiće i čak stvaraju pokret.
Ali da li je sva ta raznolikost neophodna? Da li bi biologija mogla da funkcioniše jednako dobro sa manje građevinskih blokova i jednostavnijim polimerima?
Ting Ksu, Kalifornijski univerzitet u Berkliju, naučnik za polimere, misli tako. Ona je razvila način da oponaša specifične funkcije prirodnih proteina koristeći samo dva, četiri ili šest različitih gradivnih blokova – onih koji se trenutno koriste u plastici – i otkrila da ovi alternativni polimeri funkcionišu isto kao i pravi proteini i da ih je mnogo lakše sintetizovati od pokušavajući da ponovi dizajn prirode.
Kao dokaz koncepta, koristila je svoj metod dizajna, koji se zasniva na mašinskom učenju ili veštačkoj inteligenciji, da sintetiše polimere koji imitiraju krvnu plazmu. Veštačka biološka tečnost je održavala prirodne proteinske biomarkere netaknutima bez hlađenja i čak je učinila prirodne proteine otpornijim na visoke temperature – poboljšanje u odnosu na pravu krvnu plazmu.
Zamene proteina, ili nasumični heteropolimeri (RHP), mogli bi da promene igru za biomedicinske primene, pošto se danas mnogo truda ulaže u podešavanje prirodnih proteina da rade stvari za koje nisu prvobitno dizajnirani, ili pokušavaju da ponovo kreiraju 3D struktura prirodnih proteina. Isporuka lekova malih molekula koji oponašaju prirodne ljudske proteine je jedno vruće polje istraživanja.
Umesto toga, veštačka inteligencija bi mogla da izabere pravi broj, vrstu i raspored plastičnih građevinskih blokova – sličnih onima koji se koriste u zubnim plombama, na primer – da oponaša željenu funkciju proteina, a jednostavna polimerna hemija bi se mogla koristiti za njegovu izradu.
U slučaju krvne plazme, na primer, veštački polimeri su dizajnirani da rastvore i stabilizuju prirodne proteinske biomarkere u krvi. Ksu i njen tim su takođe stvorili mešavinu sintetičkih polimera da zameni creva ćelije, takozvani citosol. U epruveti ispunjenoj veštačkom biološkom tečnošću, ćelijske nanomašine, ribozomi, nastavili su da ispumpaju prirodne proteine kao da im nije stalo da li je tečnost prirodna ili veštačka.
„U suštini, svi podaci pokazuju da možemo da koristimo ovaj okvir dizajna, ovu filozofiju, da generišemo polimere do tačke koju biološki sistem ne bi mogao da prepozna da li je polimer ili da li je protein“, rekao je Ksu, UC Berkelei profesor hemije i nauke o materijalima i inženjerstva. „Mi u suštini zavaravamo biologiju. Cela ideja je da ako je zaista dizajnirate i ubrizgate svoju plastiku kao deo ekosistema, ona treba da se ponaša kao protein. Ako su drugi proteini kao: ‘Ok, vi ste deo nas „, onda je to u redu.“
Okvir dizajna takođe otvara vrata dizajniranju hibridnih bioloških sistema, gde plastični polimeri nesmetano deluju sa prirodnim proteinima kako bi poboljšali sistem, kao što je fotosinteza. A polimeri bi se mogli učiniti da se prirodno razgrađuju, čineći sistem reciklirajućim i održivim.
„Počinjete da razmišljate o potpuno novoj budućnosti plastike, umesto o svim ovim robnim stvarima“, rekao je Ksu, koji je takođe fakultetski naučnik u Nacionalnoj laboratoriji Lorens Berkli.
Ona i njene kolege objavile su svoje rezultate u izdanju časopisa Nature od 9. marta.
Ksu vidi živo tkivo kao složenu mešavinu proteina koji su evoluirali da rade zajedno fleksibilno, sa manje pažnje posvećene stvarnoj sekvenci aminokiselina svakog proteina nego funkcionalnim podjedinicama proteina, mestima gde ovi proteini interaguju. Baš kao u mehanizmu brava i ključ, gde nema velike razlike da li je ključ aluminijum ili čelik, tako je stvarni sastav funkcionalnih podjedinica manje važan od onoga što rade.
A pošto su ove prirodne mešavine proteina evoluirale nasumično tokom miliona godina, trebalo bi da bude moguće kreirati slične mešavine nasumično, sa drugačijim alfabetom građevnih blokova, ako koristite prave principe da ih dizajnirate i odaberete, oslobađajući naučnike potrebe da ponovo stvaraju tačne mešavine proteina u živom tkivu.
„Priroda ne radi mnogo molekularnog, preciznog dizajna odozdo prema gore kao mi u laboratoriji“, rekao je Ksu. „Prirodi je potrebna fleksibilnost da bi stigla tamo gde jeste. Priroda ne kaže, hajde da proučimo strukturu ovog virusa i napravimo antigen da ga napadne. On će izraziti biblioteku antigena i odatle izabrati onaj koji radi. “
Ta slučajnost se može iskoristiti za dizajniranje sintetičkih polimera koji se dobro mešaju sa prirodnim proteinima, stvarajući biokompatibilnu plastiku lakše od današnjih ciljanih tehnika, kaže Ksu.
Radeći sa primenjenim statističarem Haijanom Huangom, profesorom UC Berkli, istraživači su razvili metode dubokog učenja kako bi uparili svojstva prirodnih proteina sa svojstvima plastičnih polimera kako bi dizajnirali veštački polimer koji funkcioniše slično, ali ne identično, kao prirodni protein.
Na primer, u pokušaju da se dizajnira tečnost koja stabilizuje specifične prirodne proteine, najvažnija svojstva tečnosti su električni naboji polimernih podjedinica i da li ove podjedinice vole da komuniciraju sa vodom – to jest, da li su hidrofilne ili ne. hidrofobna. Sintetički polimeri su dizajnirani da odgovaraju tim osobinama, ali ne i drugim karakteristikama prirodnih proteina u tečnosti.
Huang i diplomirani student Šuni Li obučili su tehniku dubokog učenja — hibrid klasične veštačke inteligencije (AI) koju Huang naziva modifikovanim varijacionim autokoderom (VAE) — na bazi podataka od oko 60.000 prirodnih proteina. Ovi proteini su razbijeni na segmente od 50 aminokiselina, a svojstva segmenta su upoređena sa onima veštačkih polimera sastavljenih od samo četiri građevna bloka.
Uz povratne informacije iz eksperimenata diplomiranog studenta Zhiiuan Ruan u Ksuovoj laboratoriji, tim je bio u mogućnosti da hemijski sintetiše nasumične grupe polimera, RHP, koji su oponašali prirodne proteine u smislu naelektrisanja i hidrofobnosti.
„Posmatramo prostor sekvence koji je priroda već dizajnirala, analiziramo ga, činimo da se polimer podudara sa onim što je priroda već evoluirala, i oni rade“, rekao je Ksu.
„Koliko dobro pratite sekvencu proteina određuje performanse polimera koji dobijete. Izvlačenje informacija iz uspostavljenog sistema, kao što su proteini koji se javljaju u prirodi, je najlakša prečica koja nam omogućava da otkrijemo prave kriterijume za stvaranje biološki kompatibilnih polimera.“
Kolege u laboratoriji Karlosa Bustamantea, profesora molekularne i ćelijske biologije, hemije i fizike sa Univerziteta u Berkliju, izveli su jednomolekularne optičke pincete i jasno pokazali da RHP mogu oponašati kako se proteini ponašaju.
Ksu, Huang i njihove kolege sada pokušavaju da oponašaju druge karakteristike proteina kako bi u plastici reprodukovali mnoge druge funkcije polimera prirodnih aminokiselina.
„Trenutno, naš cilj je jednostavno stabilizacija proteina i oponašanje najosnovnijih funkcija proteina“, rekao je Huang. „Ali sa prefinjenijim dizajnom RHP sistema, mislim da je prirodno za nas da istražimo poboljšanje drugih funkcija. Pokušavamo da proučimo koje kompozicije sekvence mogu biti informativne u vezi sa mogućim funkcijama proteina ili ponašanjem koje RHP može da nosi.“
Dizajnerska platforma otvara vrata hibridnim sistemima prirodnih i sintetičkih polimera, ali i predlaže načine da se lakše naprave biokompatibilni materijali, od veštačkih suza ili hrskavice do premaza koji se mogu koristiti za isporuku lekova.
„Ako želite da razvijete biomaterijale za interakciju sa vašim telom, da uradite inženjering tkiva ili isporuku lekova, ili želite da napravite oblogu za stent, morate biti kompatibilni sa biološkim sistemima“, rekao je Ksu. „Ono što vam ovaj rad govori je: Evo pravila dizajna. Ovako treba da se povežete sa biološkim tečnostima.“
Njen krajnji cilj je da potpuno preispita kako su biomaterijali trenutno dizajnirani, jer trenutne metode – fokusirane prvenstveno na oponašanje aminokiselinskih struktura prirodnih proteina – ne funkcionišu.
„Uprava za hranu i lekove decenijama nije odobrila nijedan novi materijal za polimerne biomaterijale, a mislim da je razlog to što mnogi sintetički polimeri zaista ne funkcionišu – mi idemo u pogrešnom pravcu“, rekla je ona.
„Ne dozvoljavamo da nam biologija govori kako materijal treba da se dizajnira. Gledamo pojedinačne puteve, pojedinačne faktore, a ne holistički. Biologija je zaista komplikovana, ali je veoma nasumična. Zaista morate govoriti o isti jezik kada se radi o materijalima. To je ono što želim da podelim sa zajednicom materijala.“
