Noi enzime capabile de reacții în mai mulți pași au fost create cu ajutorul AI

Cercetătorii au utilizat inteligența artificială (AI) pentru a proiecta enzime complet noi, capabile să desfășoare reacții chimice complexe în mai mulți pași, o caracteristică esențială a enzimelor naturale. Structurile create de aceștia au accelerat o reacție chimică în patru etape, esențială pentru numeroase procese biologice și industriale, inclusiv reciclarea plasticului.

„Acesta este un moment de referință în ingineria enzimatică”, afirmă Huimin Zhao, biolog sintetic la Universitatea din Illinois, Urbana-Champaign. „Demonstrează că acum este posibil să proiectăm enzime cu activitate asemănătoare celor naturale, ceea ce le face utilizabile în practică.”

O abordare inovatoare în proiectarea enzimelor

Până acum, încercările de a crea enzime de la zero cu ajutorul AI s-au confruntat cu provocări semnificative. De multe ori, enzimele create nu reușeau să parcurgă întregul proces al reacției, oprindu-se după primul pas. Totuși, studiul recent, publicat în revista Science pe 13 februarie, a depășit aceste obstacole prin combinarea mai multor tehnici de învățare automată. Noile enzime dezvoltate au fost de 60.000 de ori mai eficiente în accelerarea reacției decât cele proiectate anterior prin metode similare.

De la ajustări la proiectare completă

Până de curând, majoritatea eforturilor în ingineria enzimatică s-au concentrat pe modificarea enzimelor existente pentru a le îmbunătăți performanța sau a le atribui funcții noi. Această metodă, însă, are limite, deoarece nu permite obținerea unor enzime suficient de eficiente pentru reacții în mai mulți pași.

„Este ca și cum ai cumpăra un costum de la un magazin second-hand – s-ar putea să nu ți se potrivească perfect. Asta se întâmplă și atunci când încercăm să proiectăm enzime prin ajustarea celor deja existente”, explică Anna Lauko, coautoare a studiului și specialistă în design proteic la Universitatea din Washington, Seattle.

Inteligența artificială, cheia succesului

Pentru a crea o enzimă capabilă să parcurgă o reacție chimică în patru pași, numită hidroliza serinei, cercetătorii au folosit un instrument AI numit RFdiffusion, dezvoltat anterior pentru a genera structuri enzimatice de la zero. Ulterior, au utilizat o rețea neuronală profundă, denumită PLACER, care a rafinat designul enzimatic prin modelarea pozițiilor atomilor și a moleculelor implicate în fiecare etapă a reacției.

Acest AI funcționează ca un „filtru”, verificând dacă locurile active ale enzimei – regiunile unde are loc interacțiunea chimică – sunt compatibile și aranjate corespunzător pentru a facilita fiecare pas al reacției. „Este o abordare extrem de inovatoare”, subliniază Zhao.

Această descoperire deschide noi perspective în bioinginerie și biotehnologie, oferind soluții mai eficiente pentru procese industriale esențiale, precum producția de biocombustibili, tratarea deșeurilor și medicina personalizată. Cu ajutorul AI, viitorul enzimelor artificiale devine din ce în ce mai promițător.