नोबेल पुरस्कार विजेता डेविड बेकर के नेतृत्व में वाशिंगटन विश्वविद्यालय की एक टीम स्क्रैच से प्रभावी एंजाइमों को डिजाइन करने के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग कर रही है – एक उपलब्धि शोधकर्ताओं को “विज्ञान की भव्य चुनौतियों में से एक” कहते हैं।
एंजाइम प्राकृतिक दुनिया के जादूगर हैं, प्रोटीन जो अणुओं को बदल सकते हैं और हल्के परिस्थितियों में तेजी से रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकते हैं। वे हर जीवित कोशिका में पाए जाते हैं और जीवन के लिए आवश्यक हैं। दवा उत्पादन और औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए पहले से ही एंजाइमों का दोहन किया जा रहा है। एंजाइम निर्माण के लिए नए विकसित उपकरण व्यापक-अनुप्रयोगों को अनलॉक कर सकते हैं।
“अब हम इन एंजाइमों को ब्याज की किसी भी प्रतिक्रिया के अनुरूप बना सकते हैं, सैद्धांतिक रूप से,” अन्ना लाउको ने कहा, हाल ही में पीएचडी। से स्नातक करना बेकर की लैब। “यह इस तरह से फ़्लिप किया गया है कि हम एंजाइम डिजाइन करेंगे।”
लाउको एक शोध पत्र के सह-प्रमुख लेखक हैं जो आज जर्नल साइंस में प्रकाशित हो रहे हैं। उसके सह-लीड्स हैं सैम पेलकलैब में एक अभिनय प्रशिक्षक, और कीरा सुमिडाबेकर के स्नातक छात्रों में से एक।
पिछले साल बेकर, एक जैव रसायनज्ञ और यूडब्ल्यू मेडिसिन में इंस्टीट्यूट फॉर प्रोटीन डिजाइन के निदेशक, ने अपने काम के लिए रसायन विज्ञान में एक नोबेल पुरस्कार जीता, जो प्रोटीन के आणविक डिजाइन को उजागर करता है और नए लोगों का निर्माण करने और परीक्षण करने के लिए एआई का उपयोग करने के लिए प्रौद्योगिकियों को विकसित करता है।
अतीत में, वैज्ञानिकों ने फ्रेंकस्टीन एंजाइमों को बनाया, इस उम्मीद में मौजूदा प्रोटीन के घटकों को एक साथ सिलाई करते हुए कि इकट्ठे किए गए भाग एक सटीक कार्य का प्रबंधन कर सकते हैं। लेकिन एंजाइमों को अक्सर बारीक संचालन करने की आवश्यकता होती है, कई बार आकार बदलते हैं क्योंकि वे अणुओं में हेरफेर करते हैं।
पेलॉक ने एक सूट के लिए एक थ्रिफ्ट स्टोर में जाने के लिए एंजाइम डिजाइन के पुराने दृष्टिकोण की तुलना की।
“यह संभावना नहीं है कि आप एक सूट खोजने जा रहे हैं जो अच्छी तरह से फिट बैठता है,” उन्होंने कहा, और एंजाइम उसी तरह थे। वे मूल टुकड़ों को शामिल करते थे, लेकिन उन अणुओं से पूरी तरह से मेल नहीं खाते थे जिनके साथ उन्हें बातचीत करने की आवश्यकता थी। नया दृष्टिकोण bespoke प्रोटीन का उत्पादन करता है।
उनके अत्याधुनिक दृष्टिकोण का परीक्षण करने के लिए, यूडब्ल्यू शोधकर्ताओं ने एक अच्छी तरह से अध्ययन किए गए एंजाइम पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे सेरीन हाइड्रोलेज़ कहा जाता है। एंजाइम एक रासायनिक बंधन को क्लीव करने में सक्षम है जो कई कार्बन युक्त अणुओं की संरचना के लिए महत्वपूर्ण है, जिसमें प्लास्टिक, पॉलीस्टर और मनुष्यों में एक सामान्य वसा शामिल हैं।
टीम ने RFDiffusion मॉडल का उपयोग किया, जो प्रोटीन उत्पन्न करने के लिए एक AI कार्यक्रम है जो पहले बेकर की प्रयोगशाला द्वारा विकसित किया गया था और खुला स्रोत है। उन्होंने कहा कि प्लेसर नामक एक नए उपकरण के साथ जिसने उन्हें सबसे होनहार डे नोवो एंजाइम उम्मीदवारों की पहचान करने में मदद की। वैज्ञानिकों ने तब मशीन-निर्मित एंजाइमों के प्रदर्शन का परीक्षण किया।
“वे अभी भी देशी एंजाइमों के रूप में काफी अच्छे नहीं हैं,” पेलॉक ने कहा। “लेकिन कंप्यूटर से बाहर, ये सबसे अच्छे हैं जो बनाए गए हैं और वे बहुत उच्च सटीकता के साथ बनाए गए थे।”
यह उपलब्धि एक मील का पत्थर है और यह साबित करती है कि शोधकर्ता मानव-संचालित कार्यों के लिए नए एंजाइम बनाने के करीब पहुंच रहे हैं जो प्रकृति का उत्पादन कर सकते हैं।
उदाहरण के लिए, सुमिदा एक एंजाइम का निर्माण करने के लिए काम कर रही है जो प्लास्टिक कचरे के ग्रह के बड़े पैमाने पर चमक को नीचा दिखाने में मदद कर सकती है। प्लास्टिक एक विकासवादी पैमाने पर एक अविश्वसनीय रूप से नया पदार्थ है, इसलिए एंजाइमों को विकसित करने के लिए ज्यादा समय नहीं हुआ है जो इसे तोड़ सकते हैं।
सेरीन हाइड्रॉलेज़ परिवार में एक एंजाइम है जो पानी की बोतलों और अन्य उत्पादों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्लास्टिक में बांड को काट सकता है, लेकिन वहाँ कई अन्य प्रकार के प्लास्टिक हैं जिन्हें निरंतर रूप से निपटाने की आवश्यकता है।
“हमने सोचा कि यह वास्तव में एक अच्छा अनुप्रयोग होगा यदि हम इन एंजाइमों को खरोंच से बनाने में सक्षम हैं,” उसने कहा, और विभिन्न प्रकार के प्लास्टिक के लिए उन्हें अनुकूलित करें।
शोधकर्ता बड़े पैमाने पर निराशाजनक प्रयासों के दशकों के बाद उच्च प्रदर्शन वाले, एआई-डिज़ाइन किए गए एंजाइमों के आगमन के लिए उत्सुक हैं।
“उम्मीद है कि आप एंजाइम डिजाइन परियोजनाओं के बारे में अधिक सुनना शुरू कर देंगे,” पेलॉक ने कहा, “क्योंकि वे वास्तव में उनके अंत में एक कार्यात्मक एंजाइम प्राप्त करेंगे।”
साइंस पेपर के लिए अतिरिक्त लेखक डेविड बेकर, इवान अनीशेंको, डेविड जुर्गेंस, वुडी अहर्न, जिहुन जियुंग, एलेक्स शिदा, एंड्रयू हंट, इंद्रेक कलवेट, क्रिस्टोफ़र नोर्न, इयान हम्फ्रीज़, कूपर जैमिसन, रोहिथ कृष्णा, याकोव किपिस, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांग, एलेक्स कांगिस हैं। ब्रैकेनब्रो, असिम बेरा, बानमथी शंकरन और केएन होक।
लेखक संबद्धता में निम्नलिखित UW विभाग और कार्यक्रम शामिल हैं: जैव रसायन; जैविक भौतिकी, संरचना और डिजाइन; प्रोटीन डिजाइन के लिए संस्थान; आणविक इंजीनियरिंग; रसायन विज्ञान; हावर्ड ह्यूजेस मेडिकल इंस्टीट्यूट; और पॉल जी एलन स्कूल ऑफ कंप्यूटर साइंस एंड इंजीनियरिंग। यूसीएलए के रसायन विज्ञान और जैव रसायन विभाग के एक वैज्ञानिक ने भी योगदान दिया।
