Молекулы

#comment_354019338

Учёные из Центра геномного регулирования в Испании совершили прорыв в биологии: искусственный интеллект создал молекулы ДНК, которые впервые успешно управляют генами в здоровых клетках млекопитающих. ИИ разработал искусственные фрагменты ДНК, которые могут включать или выключать гены в нужных клетках, например, заставлять стволовые клетки превращаться в клетки крови. Это как программирование для живых организмов.

ИИ создал инструмент, который генерирует новые последовательности ДНК — цепочки из «букв» (A, T, C, G), называемые энхансерами. Эти фрагменты длиной около 250 букв управляют экспрессией генов, то есть определяют, какие гены будут активны в конкретных клетках. Например, ИИ может создать энхансер, который включит ген, превращающий стволовые клетки в эритроциты (клетки крови), но не в тромбоциты (клетки, отвечающие за свертывание крови).

Ученые синтезировали эти фрагменты химически и с помощью вируса доставили их в клетки крови мышей. В экспериментах ДНК интегрировалась в геном клеток в случайных местах. ИИ спроектировал энхансеры, которые активировали ген, кодирующий флуоресцентный белок, чтобы ученые могли видеть, работает ли система. Результаты были точными: гены включались в нужных клетках, не затрагивая другие.

Доктор Роберт Фромель, первый автор исследования, сравнил процесс с написанием программ для биологии: «Это дает невероятную точность в управлении клетками». Технология может изменить лечение болезней, связанных с нарушением работы генов, таких как рак или аутоиммунные расстройства. ИИ позволяет создавать энхансеры, которых нет в природе, и настраивать их так, чтобы они работали только в определенных клетках, минимизируя побочные эффекты.

Чтобы создать такие молекулы, ИИ нужно «научить» языку клеток. Энхансеры — это как грамматические правила, управляющие генами. Ученые собрали огромный объем данных, изучив тысячи экспериментов на клетках крови. Они исследовали, как энхансеры и белки (факторы транскрипции) взаимодействуют, чтобы включать или выключать гены. За пять лет команда синтезировала более 64 тысяч искусственных энхансеров — это самая большая коллекция такого рода.

Ученые отслеживали, как энхансеры работают на семи стадиях развития клеток крови. Большинство из них действовали как регуляторы громкости, усиливая или ослабляя активность генов. Но некоторые комбинации работали как выключатели: два фактора, которые обычно включают ген, вместе его выключали. Это явление, названное «отрицательной синергией», удивило ученых. Данные помогли ИИ предсказывать, какие новые энхансеры дадут нужный эффект, даже если их никогда не существовало в природе.

Технология может привести к созданию новых методов лечения, где гены пациентов будут настраиваться с высокой точностью. Например, можно будет активировать гены, борющиеся с болезнью, только в больных клетках. Однако для этого нужны большие объемы данных и дальнейшие исследования. Доктор Ларс Вельтен, соавтор, отметил: «Мы расшифровали язык клеток, чтобы писать новые инструкции для них».

Исследователи планируют усовершенствовать ИИ, чтобы он создавал еще более сложные энхансеры. Это открытие — шаг к персонализированной медицине и пониманию того, как клетки работают на молекулярном уровне. Оно также показывает, как ИИ может стать помощником в биологии, создавая решения, которых природа еще не придумала.

Автор: Dexter
Источник: IXBT
Оригинал: CRG

Молекулярный автомат

Подумал-подумал и решил, что первоначальную заметку (к тому же, написанную "для тех, кто уже участвует"), стоило бы дополнить.

Итак, в чём суть проблемы? Любой вирус - это молекулярный автомат. Это программа, воплощённая в нескольких слоях молекул образующих оболочку и начинку из РНК или ДНК.

Например - как у упоминаемого вируса Зика. Если вокруг холодно - это просто крупинка вещества. Но при подходящей температуре при столкновении с клеткой, молекулы белков его оболочки вступают в химическую реакцию с белками клеточной мембраны, "разрезают" её, внутрь клетки попадает РНК или ДНК вируса и запускается её реплицирование механизмами, существующими в клетке.

Заразив клетку, вирус превращает её в "молекулярный 3D-принтер" создающий новые копии вируса, которые, в итоге, выходят из разрушенной клетки, продолжая заражение.

Как с этим бороться? Нужно найти вещество, которое бы либо разрушало вирус, либо как-то осложняло работу его механизмов, чтобы иммунная система уже сама его окончательно бы уничтожила. При этом, это вещество не должно уничтожать все остальные живые клетки в округе, убивая организм, который надо вылечить.

Где такие вещества искать? Используя таблицу Менделеева и известные законы природы, можно создать много, очень много различных химических соединений. В зависимости от требований, уже после некоторого "просеивания" их можно получить как просто "много" - например 10^20 (десять в двадцатой степени), так и в числе, сама запись которого будет для нас непривычна - 10^60, 10^90 и т.д. Существуют и специально составленные базы с соединениями, "перспективность" которых лучше, чем какого-то совсем уж случайно сгенерированного наугад.

Используя законы Физики и Химии можно смоделировать взаимодействие молекул проверяемого соединения с молекулами мембраны вируса и понять - может ли оно его уничтожить или нейтрализовать.

А самое замечательное в том, что для подобного моделирования не требуется больших вычислительных мощностей. Оно может быть выполнено в виде отдельной задачи, работающей на одном ядре более-менее современного компьютера в течение нескольких часов. А поскольку процессоры подавляющего большинства домашних компьютеров, ноутбуков, планшетов и смартфонов, на самом деле, от 90 до 99% времени не делают ничего (можете проверить, запустив диспетчер задач), то даже запуская такую задачу в фоновом режиме и с самым низким приоритетом (чтобы она никак не мешала любым другим задачам в части задействования процессора) – можно получить огромные вычислительные мощности для проверки большого числа таких соединений. Если в этом деле будет участвовать какое-то большое число людей, которым наука интересна на самом деле.

И, (как легко понять из исходной новости) – конечно участвуют. И в разных проектах. Открывают радиопульсары, интересные математические конструкции, ищут лекарства, моделируют Вселенную, прочёсывают данные LIGO (да, тех самых гравитационно-волновых обсерваторий которые и поймали впервые гравитационные волны, принеся Кипу Торну Нобелевскую премию) в поиске гравитационные волн уже от не сливающихся, а от одиночных объектов, моделируют климат… и много чего ещё!

А иногда – с некоторой грустью и удовлетворением от выполненной работы (пусть она делается компьютером и в фоновом режиме) – провожают завершившиеся проекты. Да, вычисления идут сами – их надо только запустить и, участие в проекте – это не строительство Симплонского туннеля. Но что-то общее – есть. Пожалуй – масштаб!

P.S. Вы дочитали до конца? И вам действительно интересна наука? Тогда, возможно – вы такой же как и мы! Запускайте вычисления – [https://vk.com/page-34590225_52622420 ], присоединяйтесь к группе нашей команды - [https://vk.com/crystal_dream_team ], задавайте вопросы в группе и заходите на форум BOINC.Ru – [https://boinc.ru/forum/ ]!