مزيج من الذكاء الاصطناعي وخوارزميات تصميم البروتين يسمح لأول مرة بالوصول إلى منجم ذهب: ملايين البروتينات الطبيعية التي يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات البيئية والطبية والصناعية
وصلت الدكتورة شيران باربر زوكر إلى مختبر البروفيسور. شيرال فليشمان بحلم: أرادت إيجاد طريقة صديقة للبيئة للتعامل مع النفايات البلاستيكية التي تهدد بإغراق العالم. كانت الفكرة الأولية هي استلهام الطبيعة - على سبيل المثال، من الفطريات التي تغطي الأشجار الميتة وتفرز الإنزيمات التي تتسبب في تعفن أصعب الجذوع وإطلاق العناصر الغذائية في التربة. لماذا لا تشمر هذه الإنزيمات عن سواعدها للمساعدة في الحرف الأخرى مثل تفكيك المواد البلاستيكية الصلبة؟
ومع ذلك، مثل الأحلام، فإن هذه الإنزيمات أيضًا بعيدة المنال للغاية. "إن الإنزيمات التي تسمى البيروكسيداز متعدد الاستخدامات هي أوليات حقيقية. يقول البروفيسور فليشمان من قسم العلوم الجزيئية الحيوية بمعهد وايزمان للعلوم: "من الصعب جدًا العمل معهم". ورغم أنه في السنوات الأخيرة تم تطوير أساليب حسابية في مختبره تجعل من الممكن جعل البروتينات، بما في ذلك الإنزيمات، أكثر استقرارا، أو لها خصائص أخرى مرغوبة، إلا أن هذه الأساليب - التي تستخدمها بالفعل آلاف المجموعات البحثية حول العالم - لا يمكن إلا أن تكون يتم تطبيقه عندما يكون التركيب الجزيئي الدقيق للبروتين معروفًا. لكن إذا لم يكن البروتين مستقرًا بدرجة كافية ليتم إنتاجه في المختبر، كما هو الحال في حالة البيروكسيداز متعدد الاستخدامات، فمن السهل والمستحيل إنتاج بلورات منه وقصفها بالأشعة السينية - وهي عملية تُعرف باسم علم البلورات وهي مطلوبة لفك شفرتها. هيكل ثلاثي الأبعاد للبروتينات.
لكن الأحلام لا يتم التخلي عنها بهذه السرعة، وأصر الدكتور باربر زوكر على الإنزيمات المراوغة. وفي توقيت إعجازي، أثبت الإصرار نفسه: منذ الثمانينيات، كانت هناك محاولات لتخطي الحاجة إلى علم البلورات والتنبؤ بالبنية بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية التي تشكل البروتين. حتى وقت قريب، لم تسفر هذه المحاولات عن نتائج موثوقة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالبروتينات المعقدة من نوع البيروكسيداز متعدد الاستخدامات. ومع ذلك، في نهاية عام 80، كان هناك تطور في المؤامرة: بعد أسابيع قليلة من بدء المشروع، اكتشف الدكتور باربر زوكر أن إحدى الشركات التابعة لشركة جوجل، العقل العميق، والعديد من المجموعات البحثية الجامعية، قامت بتحسين قدرات التنبؤ المعتمدة على الذكاء الاصطناعي بشكل كبير، وأنه من الممكن اليوم الوصول إلى نتائج التنبؤ بدقة تقريبًا مثل تلك التي تم التوصل إليها من خلال علم البلورات.
"المادة المظلمة" في علم الأحياء
سمح هذا التقدم التكنولوجي للدكتورة باربر زوكر وزملائها - فلاديمير ميندل وجوناثان ياكوف وينشتاين، طلاب الأبحاث في مختبر البروفيسور فليشمان، والبروفيسور ميغيل ألكالد والدكتورة إيفا جارسيا رويز من معهد الحفز الكيميائي في مدريد - تحقيق النتائج وبسرعة لم يكن من الممكن تصورها من قبل. في الواقع، حتى هذه الدراسة، تم فك رموز بنية إنزيم واحد فقط من عائلة البيروكسيداز متعددة الاستخدامات - وذلك أيضًا كجزء من مشروع استمر لأكثر من عقد من الزمن وتطلب فريقًا من الخبراء. الآن، وفي أقل من ستة أشهر، وبدون أي خبرة سابقة أو معرفة بهذا النوع من الإنزيمات، تمكنت الدكتورة باربر زوكر وزملاؤها من تصميم وإنتاج واختبار نسخ مستقرة من ثلاثة بيروكسيدازات متعددة الاستخدامات، والتي لا يمكن إنتاج نسخها الأصلية في المختبر على الإطلاق.
إن الجمع بين التنبؤات القائمة على الذكاء الاصطناعي وخوارزميات تحسين البروتين يفتح مجالًا كبيرًا من الاحتمالات. "من بين ملايين البروتينات الموجودة في الطبيعة، يتم فك رموز بنية أقل من 0.1%. ويقول البروفيسور فليشمان: "يمكننا الآن أيضًا دراسة الـ 99.9% المتبقية من البروتينات واستخدامها في الطب والصناعة". "في الواقع، لا يمكن إنتاج حوالي نصف البروتينات الموجودة في الطبيعة في المختبر على الإطلاق. هذه البروتينات هي "المادة المظلمة" في علم الأحياء، ولم يكن لدى العلماء حتى الآن طريقة لتحديد ما تفعله بالضبط. في دراساتنا السابقة، عندما طُلب منا تصميم بروتين جديد، اعتمدنا على ما إذا كانت بنية البروتين قد تم فك شفرتها بالفعل. لم يعد هذا السؤال ذا صلة، يمكننا إدارته حتى بدون الهيكل. وهذا نقطة تحول في تصميم البروتين."
ويعد تطوير الأدوية أحد المجالات التي يمكن أن تستفيد بشكل فوري من هذا التطور. على سبيل المثال، اليوم، من أجل استخدام الأجسام المضادة المشتقة من حيوانات المختبر لعلاج البشر، من الضروري استثمار الكثير من الموارد في علم بلورات الأجسام المضادة وإدخال التعديلات الهيكلية اللازمة. سيكون من الممكن الآن هندسة الأجسام المضادة بكفاءة أكبر.
وقد تستفيد التطبيقات البيئية - وهي الهدف الأصلي للعلماء - من ثمار البحث. على سبيل المثال، يمكن استخدام الإنزيمات المحسنة التي أنشأوها لتحليل النفايات الزراعية وتحويلها إلى وقود حيوي - بدلا من حرقها أو تفكيكها باستخدام مواد كيميائية ملوثة. بالإضافة إلى ذلك، أوضحت الدكتورة باربر زوكر أن الإنزيمات التي ابتكرتها يمكنها تفكيك صبغة معينة يمكن أن تصبح ملوثة، وأنه من الممكن تطوير إنزيمات يمكنها معالجة أنواع مختلفة من الملوثات البيئية. علاوة على ذلك، أظهرت أن كل واحد من الإنزيمات الثلاثة أظهر نشاطًا مختلفًا في المختبر، أي أنه "تخصص" في تحطيم المكونات المختلفة للخشب، وأن الثلاثة كانوا مستقرين للغاية ومقاومين للحرارة - وهي صفات أساسية لهذه الصناعة. . وبناءً على هذه النتائج، تهدف الدكتورة باربر زوكر إلى تطوير "كوكتيل" يتكون من حوالي عشرة إنزيمات، بما في ذلك الثلاثة التي ابتكرتها، والتي ستعمل بشكل تآزري لتحليل نفايات الخشب وتحويلها إلى وقود حيوي أو مواد مفيدة أخرى.
وماذا عن حلم إعادة تدوير النفايات البلاستيكية الصلبة باستخدام الإنزيمات؟ وتقول: "لا يزال هذا حلما، لكنه قد يصبح حقيقة في المستقبل القريب".
عار آخر على موقع العلوم:
