الإنزيمات هي آلات جزيئية تنفذ التفاعلات الكيميائية التي تحافظ على كل الحياة ، وهي القدرة التي استحوذت على انتباه العلماء مثلي.
النظر في حركة العضلات. يقوم جسمك بإطلاق جزيء يسمى أسيتيل كولين لإحداث خلايا العضلات الخاصة بك إلى الانقباض. إذا تمسك أسيتيل كولين لفترة طويلة ، فيمكن أن يشل عضلاتك – بما في ذلك خلايا عضلة القلب – وهذا هو ذلك. هذا هو المكان الذي يأتي فيه إنزيم أسيتيل كولينستراز. يمكن لهذا الإنزيم أن يكسر آلاف جزيئات الأسيتيل كولين في الثانية لضمان توقف انكماش العضلات ، وتجنب الشلل واستمرت الحياة. بدون هذا الإنزيم ، سيستغرق الأمر شهرًا لجزيء من الأسيتيل كولين ينهار من تلقاء نفسه – حوالي 10 مليارات مرة أبطأ.
يمكنك أن تتخيل سبب أهمية الإنزيمات بشكل خاص للعلماء الذين يتطلعون إلى حل المشكلات الحديثة. ماذا لو كانت هناك طريقة لتحطيم البلاستيك أو التقاط ثاني أكسيد الكربون أو تدمير الخلايا السرطانية بأسرع ما يكسر الأسيتيل كولينستراز الأسيتيل كولين؟ إذا احتاج العالم إلى اتخاذ إجراء بسرعة ، فإن الإنزيمات هي مرشح مقنع لهذا الوظيفة – إذا كان بإمكان الباحثين فقط تصميمها للتعامل مع هذه التحديات على الطلب.
تصميم الإنزيمات ، للأسف ، أمر صعب للغاية. إنه يشبه العمل مع مجموعة LEGO بحجم الذرة ، لكن الإرشادات ضاعت ولن يتمسك الأمر معًا ما لم يتم تجميعها تمامًا. تشير الأبحاث المنشورة حديثًا من فريقنا إلى أن التعلم الآلي يمكن أن يكون بمثابة المهندس المعماري في مجموعة LEGO هذه ، مما يساعد العلماء على بناء هذه الهياكل الجزيئية المعقدة بدقة.
ما هو الإنزيم؟
دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما يشكل إنزيمًا.
الإنزيمات عبارة عن بروتينات-جزيئات كبيرة تقوم بأعمال وراء الكواليس التي تبقي جميع الكائنات الحية على قيد الحياة. تتكون هذه البروتينات من الأحماض الأمينية ، وهي مجموعة من لبنات البناء التي يمكن أن يتم تخيطها معًا لتشكيل سلاسل طويلة يتم تعقيدها في أشكال محددة.
الهيكل المحدد للبروتين هو مفتاح وظيفته بالطريقة نفسها التي توجد بها أشكال الكائنات اليومية. على سبيل المثال ، مثل الكثير من الملعقة مصممة لعقد السائل بطريقة لا يمكن للسكين ببساطة ، أنزيمات المشاركة في تحريك عضلاتك ليست مناسبة تمامًا للتمثيل الضوئي في النباتات.
لكي يعمل الإنزيم ، فإنه يعتمد شكلًا يطابق تمامًا الجزيء الذي يعالجه ، مثل القفل يطابق المفتاح. توجد الأخاديد الفريدة في الإنزيم – القفل – الذي يتفاعل مع جزيء الهدف – المفتاح – في منطقة من الإنزيم المعروف باسم الموقع النشط.
الموقع النشط للإنزيم يلف بدقة الأحماض الأمينية للتفاعل مع الجزيء المستهدف عند دخوله. هذا يجعل من الأسهل على الجزيء الخضوع لتفاعل كيميائي لتحويله إلى مجموعة مختلفة ، مما يجعل العملية أسرع. بعد الانتهاء من التفاعل الكيميائي ، يتم إطلاق الجزيء الجديد ويكون الإنزيم جاهزًا لمعالجة أخرى.
كيف تصمم إنزيم؟
قضى العلماء عقودًا في محاولة لتصميم إنزيماتهم الخاصة لصنع جزيئات أو مواد أو علاجات جديدة. لكن صنع الإنزيمات التي تبدو وتذهب بأسرع تلك الموجودة في الطبيعة أمر صعب للغاية.
الإنزيمات لها أشكال معقدة غير منتظمة تتكون من مئات الأحماض الأمينية. يجب وضع كل من لبنات البناء هذه بشكل مثالي وإلا فإن الإنزيم سوف يتباطأ أو يغلق تمامًا. يمكن أن يكون الفرق بين متسابق السرعة والإنزيم البطيء مسافة أقل من عرض ذرة واحدة.
في البداية ، ركز العلماء على تعديل تسلسل الأحماض الأمينية للإنزيمات الموجودة لتحسين سرعتهم أو استقرارها. أدت النجاحات المبكرة مع هذا النهج إلى تحسين استقرار الإنزيمات في المقام الأول ، مما يتيح لهم تحفيز التفاعلات الكيميائية في نطاق أعلى من درجات الحرارة. لكن هذا النهج كان أقل فائدة لتحسين سرعة الإنزيمات. حتى يومنا هذا ، فإن تصميم الإنزيمات الجديدة عن طريق تعديل الأحماض الأمينية الفردية ليس وسيلة فعالة لتحسين الإنزيمات الطبيعية.
وجد الباحثون أن استخدام عملية تسمى التطور الموجهة ، حيث يتم تغيير تسلسل الأحماض الأمينية للإنزيم بشكل عشوائي حتى يمكن أن يؤدي وظيفة مرغوبة ، أثبتت أكثر فائدة. على سبيل المثال ، أظهرت الدراسات أن التطور الموجه يمكن أن يحسن سرعة التفاعل الكيميائي ، والحرارة ، وحتى توليد الإنزيمات ذات الخصائص التي لا تُرى في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن هذا النهج عادةً ما يكون عملاً مكثفًا: يجب عليك فحص العديد من المسوخات للعثور على نهج يفعل ما تريد. في بعض الحالات ، إذا لم يكن هناك إنزيم جيد للبدء ، فقد تفشل هذه الطريقة في العمل على الإطلاق.
كلا هذين النهجين محدودة بسبب اعتمادهما على الإنزيمات الطبيعية. وهذا يعني أن تقييد التصميم الخاص بك على أشكال البروتينات الطبيعية من المحتمل أن يحد من أنواع الكيمياء التي يمكن أن تسهلها الإنزيمات. تذكر ، لا يمكنك تناول الحساء بسكين.
هل من الممكن صنع إنزيمات من الصفر ، بدلاً من تعديل وصفة الطبيعة؟ نعم مع أجهزة الكمبيوتر.
تصميم الإنزيمات مع أجهزة الكمبيوتر
لا تزال المحاولات الأولى لتصميم الإنزيمات الحسابية تعتمد إلى حد كبير على الإنزيمات الطبيعية كنقطة انطلاق ، مع التركيز على وضع المواقع النشطة للإنزيم في البروتينات الطبيعية.
يشبه هذا النهج محاولة العثور على بدلة في متجر التوفير: من غير المرجح أن تجد نوبة مثالية لأن هندسة موقع الإنزيم النشط (جسمك في هذا التشبيه) محدد للغاية ، لذلك بروتين عشوائي مع صارمة من غير المرجح أن تستوعب الهيكل الثابت (بدلة مع قياسات عشوائية) تمامًا. كانت الإنزيمات الناتجة عن هذه الجهود تؤدي ببطء أكبر بكثير من تلك الموجودة في الطبيعة ، مما يتطلب مزيد من التحسين مع التطور الموجه للوصول إلى سرعات شائعة بين الإنزيمات الطبيعية.
لقد غيرت التطورات الحديثة في التعلم العميق بشكل كبير مشهد تصميم الإنزيمات باستخدام أجهزة الكمبيوتر. يمكن الآن إنشاء الإنزيمات بنفس الطريقة التي تنشئ بها نماذج الذكاء الاصطناعي مثل ChatGPT و Dall-E نصًا أو صورًا ، ولا تحتاج إلى استخدام هياكل البروتين الأصلي لدعم موقعك النشط.
أظهر فريقنا أنه عندما نطلب من نموذج الذكاء الاصطناعي ، يسمى RFDiffusion ، مع الهيكل وتسلسل الأحماض الأمينية لموقع نشط ، يمكن أن يولد بقية بنية الإنزيم التي تدعمه تمامًا. هذا يعادل دفع ChatGpt لكتابة قصة قصيرة كاملة بناءً على مطالبة تقول فقط لتشمل الخط “وللأسف ، لم تظهر البيض أبدًا”.
استخدمنا نموذج الذكاء الاصطناعي هذا خصيصًا لإنشاء إنزيمات تسمى هيدروليس سيرين ، وهي مجموعة من البروتينات التي لها تطبيقات محتملة في الطب وإعادة تدوير البلاستيك. بعد تصميم الإنزيمات ، قمنا بخلطها مع هدفها الجزيئي المقصود لمعرفة ما إذا كان يمكنهم تحفيز انهيارها. بشكل مشجع ، تمكنت العديد من التصميمات التي اختبرناها من تحطيم الجزيء ، وأفضل من الإنزيمات المصممة سابقًا لنفس التفاعل.
لمعرفة مدى دقة التصميمات الحسابية لدينا ، استخدمنا طريقة تسمى البلورات بالأشعة السينية لتحديد أشكال هذه الإنزيمات. لقد وجدنا أن العديد منهم كانوا مباراة مثالية تقريبًا لما صممناه رقميًا.
تميزت النتائج التي توصلنا إليها تقدمًا رئيسيًا في تصميم الإنزيم ، مع تسليط الضوء على كيفية مساعدة الذكاء الاصطناعي للعلماء على البدء في معالجة المشكلات المعقدة. يمكن أن تساعد أدوات التعلم الآلي المزيد من الباحثين في الوصول إلى تصميم الإنزيم والاستفادة من الإمكانات الكاملة للإنزيمات لحل مشاكل العصر الحديث.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: سام بيلوك ، جامعة واشنطن
اقرأ المزيد:
يتلقى سام بيلوك تمويلًا من مؤسسة واشنطن للأبحاث وبرنامج شميدت المستقبليين.