Yapay Zeka, gelecekteki hücre tedavileri için kafeinle çalışan bir güvenlik anahtarı üretiyor

Birçoğumuz için güne sıcak bir fincan kahveyle başlarız. Texas A&M Sağlık araştırmacıları için bu aynı zamanda gelecekteki ilaçlarda tasarlanmış hücreleri kontrol etmenin yeni bir yolunu da sunabilir.

Texas A&M Sağlık Biyolojik Bilimler ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki bir ekip, canlı hücrelerin içindeki mühendislik proteinlerini hızla ayırmak ve talep üzerine hücresel tepkileri tetiklemek için kafein kullanan, yapay zeka tasarımlı bir moleküler anahtar geliştirdi. Kafeinle çalışan ayrışma sisteminin kısaltması olan CODS adı verilen platform, bilim adamlarının daha güvenli ve daha kontrol edilebilir gen ve hücre terapileri oluşturmasına yardımcı olabilir.

Çalışmada yayınlandı Amerikan Kimya Derneği DergisiTianlu Wang, Ph.D. ve meslektaşlarıyla birlikte, Biyobilim ve Teknoloji Enstitüsü Translasyonel Kanser Araştırmaları Merkezi direktörü ve Texas A&M Naresh K. Vashisht Tıp Fakültesi profesörü Yubin Zhou, MD, Ph.D., FAAAS, FAIMBE, FRSC tarafından yönetildi. Yüksek lisans öğrencileri Brendan McKee ve Tatsuki Nonomura bu çalışmada merkezi roller oynadılar; McKee yapay zeka destekli protein tasarımını ve hesaplamalı modelleme çabalarını yönlendirirken, Nonomura da temel moleküler mühendislik ve canlı hücre doğrulama çalışmalarını yönetti.

Zhou, “Yapay zeka, biyolojiyi tasarlama şeklimizi değiştiriyor” dedi. “Yalnızca doğada zaten var olan protein parçalarına güvenmek yerine, artık belirli davranışlara sahip yeni mini proteinler tasarlayabiliyoruz. Burada, kafeini, tasarlanmış hücreleri kontrol etmek için hassas bir tetikleyiciye dönüştürmeye yardımcı olmak için yapay zekayı kullandık.”

Moleküler mimar olarak yapay zeka

Yeni çalışma, Zhou’nun daha önceki kafeine duyarlı teknolojilerine dayanıyor ancak tamamen farklı bir yöne doğru ilerliyor.

Önceki sistemler, kafeinin tasarlanmış proteinleri bir araya getirmeye yardımcı olabileceğini gösterdi. Ancak CODS bunun tersini yapıyor: Proteinleri parçalamak için kafein kullanıyor. Bu fark önemlidir, çünkü gelecekteki tedaviler yalnızca hücreleri aktive etmek için değil, aynı zamanda gerektiğinde onları duraklatmak, susturmak veya sıfırlamak için de yollara ihtiyaç duyabilir.

CODS oluşturmak için ekip, kafeine duyarlı bir protein modülünü tanıyan küçük bir sentetik bağlayıcı oluşturmak amacıyla yapay zeka destekli protein tasarımını kullandı. Bağlayıcı, kafein olmadığında sistemi bir arada tutar ve kafein eklendiğinde proteinler ayrılır.

Bu sayede CODS moleküler bir toka görevi görüyor. Kafein olmadan toka kapalı kalır. Kafein sayesinde toka açılır.

Wang, “Genetik olarak kodlanmış birçok moleküler araç, hızlandırıcı gibi davranıyor” dedi. “CODS bize fren veya duraklatma düğmesine daha yakın bir şey veriyor.”

Yüksek performanslı bilgi işlem

Yapay zeka odaklı tasarım süreci önemli miktarda bilgi işlem gücü gerektiriyordu. Ekip, canlı hücrelerdeki en umut verici adayları test etmeden önce sentetik bağlayıcıları tanımlamak, değerlendirmek ve iyileştirmek için protein tasarım algoritmaları ve moleküler simülasyonlar kullandı.

Bu çalışma, gelişmiş yapay zeka odaklı protein tasarımı iş akışlarını uygun ölçekte çalıştırmak için gereken bilgi işlem gücünü sağlayan Texas A&M Yüksek Performanslı Araştırma Bilgi İşlem (HPRC) hizmeti tarafından mümkün kılındı.

Zhou, “Bu proje için yüksek performanslı bilgi işlem çok önemliydi” dedi. “Yapay zeka protein tasarımı hesaplama açısından zorludur. Texas A&M HPRC hizmeti, kavramsal bir fikirden işlevsel bir moleküler anahtara çok daha hızlı geçmemize yardımcı oldu.”

Ortaya çıkan sistem çok düşük kafein konsantrasyonlarına yanıt verdi, birkaç dakika içinde çalıştı ve kafein eklenerek veya çıkarılarak tekrar tekrar tersine çevrilebildi.

Genleri, hücre ölümünü ve bağışıklık hücrelerini kontrol etmek

Araştırmacılar CODS’u üç ana yolla gösterdiler.

İlk olarak bunu gen aktivitesini kontrol etmek için kullandılar. Kafein olmadan, tasarlanmış bir gen devresi aktif kaldı. Kafein eklendiğinde CODS, geni açık tutmak için gereken hedef proteinleri ayırarak gen aktivitesini keskin bir şekilde azalttı. Kafeinin ortadan kaldırılması sistemin iyileşmesine olanak sağladı.

İkinci olarak ekip, programlanmış hücre ölümünü kontrol etmek için CODS’yi kullandı. Hücre ölümü proteinini kafeine duyarlı anahtarla yeniden bağlayarak, kafeinin piroptoz olarak bilinen inflamatuar hücre ölümünü tetikleyebileceği bir sistem yarattılar. Bu, bilim adamlarının inflamasyonu incelemesine yardımcı olabilir ve bir gün gerektiğinde ortadan kaldırılabilecek terapötik hücrelerin tasarımını destekleyebilir.

Son olarak, en çeviri niteliğindeki gösteri, kanseri tanımak ve ona saldırmak üzere tasarlanmış bağışıklık hücreleri olan CAR T hücrelerini içeriyordu. CAR T hücresi tedavileri bazı kan kanserlerinde dikkate değer sonuçlar vermiştir, ancak aynı zamanda bağışıklık hücreleri çok aktif hale geldiğinde ciddi yan etkilere de neden olabilirler. Kafein kaynaklı bir güvenlik anahtarı, klinisyenlere, terapötik hücreleri kalıcı olarak yok etmeden CAR T hücresi aktivitesini geçici olarak azaltmanın bir yolunu verebilir.

Texas A&M ekibi CODS’yi kullanarak, kafein olmadığında aktif kalan ancak kafein eklendiğinde pasif kalan bölünmüş bir CAR sistemi kurdu. Laboratuvar testlerinde kafein, CAR T hücresi aktivasyonunu güçlü bir şekilde azalttı; bu da CODS’nin, tasarlanmış bağışıklık hücreleri için pratik bir güvenlik KAPALI anahtarı olabileceğini düşündürdü.

Kahvenin ötesinde: Programlanabilir tıbba doğru

Zhou, kafeinin kendisinin kanser tedavisi olmadığını vurguladı. Bunun yerine kafein, özel olarak tasarlanmış hücrelerle iletişim kurabilen güvenli ve tanıdık bir sinyal görevi görür.

Zhou, “Kahve ilacın yerini almayacak” dedi. “Ancak kafein, hastalar için daha kontrol edilebilir, daha duyarlı ve daha güvenli ilaçlar hayal etmemize yardımcı olabilir.”

Daha geniş ilerleme, doğanın kolayca sağlayamayacağı şekilde davranan yeni proteinler tasarlamak için yapay zekanın kullanılmasıdır. Benzer stratejiler, diğer tanıdık moleküller, reçetesiz satılan ilaçlar veya klinik olarak onaylanmış ilaçlar tarafından kontrol edilen anahtarlar oluşturmak için eninde sonunda kullanılabilir.

CODS’nin klinik kullanıma geçmeden önce sistemin terapötik hücrelerde, hayvan modellerinde ve hastalıkla ilgili ortamlarda daha fazla teste ihtiyacı olacaktır. Yine de çalışma, uygulandıktan sonra ayarlanabilen tedavilerin tasarlanması için bir çerçeve sağlama konusunda programlanabilir tıbba doğru önemli bir adıma işaret ediyor.

Zhou, “Güçlü terapilerin güçlü kontrole ihtiyacı var” dedi. “Yapay zeka tarafından tasarlanan proteinleri, yüksek performanslı bilgi işlemi ve tanıdık küçük molekülleri birleştirerek, tasarlanmış hücrelerle iletişim kurmak için yeni bir dil inşa ediyoruz.”