Gli scienziati hanno creato un sistema di "intelligenza artificiale biologica"

Scienziati australiani hanno sviluppato con successo un sistema di ricerca che utilizza l'"intelligenza artificiale biologica" per progettare e sviluppare molecole con funzioni nuove o migliorate direttamente nelle cellule dei mammiferi. I ricercatori hanno affermato che il sistema rappresenta un nuovo e potente strumento che potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare farmaci o terapie geniche più specifici ed efficaci.

Il sistema, chiamato PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection), utilizza un metodo chiamato "evoluzione diretta", una tecnica di laboratorio che imita la forza naturale dell'evoluzione. Ma invece di impiegare anni o decenni, accelera i cicli dell'evoluzione e della selezione naturale, creando molecole con nuove funzioni in poche settimane.

Ciò potrebbe avere un impatto diretto sulla ricerca di nuovi farmaci più efficaci. Ad esempio, il sistema potrebbe essere utilizzato per migliorare le tecnologie di editing genetico come CRISPR, rendendole più efficaci.

"Ciò significa che PROTEUS può essere utilizzato per generare nuove molecole ottimizzate per funzionare nei nostri corpi e possiamo creare nuovi farmaci che sarebbero difficili o impossibili da creare utilizzando la tecnologia attuale", afferma il coautore dello studio, il professor Greg Neely, a capo del Laboratorio di genomica funzionale Dr John and Anne Chong presso l'Università di Sydney.

"La novità del nostro lavoro è che l'evoluzione guidata funziona principalmente nelle cellule batteriche, mentre PROTEUS può evolvere molecole nelle cellule dei mammiferi."

Il sistema PROTEUS può risolvere problemi con una soluzione incerta, in modo simile a come un utente inserisce query in una piattaforma di intelligenza artificiale. Ad esempio, il problema potrebbe essere come "disattivare" efficacemente un gene responsabile di una malattia nel corpo di una persona.

PROTEUS utilizza quindi l'evoluzione diretta per esplorare milioni di possibili sequenze che non esistono ancora in natura e trova molecole con proprietà altamente specifiche per il problema. Ciò significa che PROTEUS può trovare soluzioni che un ricercatore umano impiegherebbe anni a trovare, ammesso che ci riuscisse.

Gli scienziati hanno riferito che, con l'aiuto di PROTEUS, hanno sviluppato versioni migliorate di proteine più facili da regolare con i farmaci, nonché nanocorpi (mini-versioni di anticorpi) in grado di rilevare danni al DNA, un processo importante che contribuisce allo sviluppo del cancro. Tuttavia, come sottolineato dagli autori, l'applicazione di PROTEUS non si limita a questo: può essere utilizzato per migliorare la funzionalità della maggior parte delle proteine e delle molecole.

I risultati sono pubblicati su Nature Communications. La ricerca è stata condotta presso il Charles Perkins Centre dell'Università di Sydney in collaborazione con i ricercatori del Centenary Institute.

La scoperta dell'apprendimento automatico molecolare

Lo sviluppo originale del metodo dell'evoluzione diretta, implementato per la prima volta nei batteri, è stato insignito del Premio Nobel per la chimica nel 2018.

"L'invenzione dell'evoluzione guidata ha cambiato il corso della biochimica. Ora, con PROTEUS, possiamo programmare una cellula di mammifero per risolvere un problema genetico per il quale non abbiamo una risposta pronta. Se lasciamo che il sistema funzioni ininterrottamente, possiamo monitorare regolarmente come risolve il problema", ha affermato il ricercatore principale, il Dott. Christopher Denes, del Charles Perkins Centre e della School of Life and Environmental Sciences.

La sfida principale che Denes e il suo team hanno dovuto affrontare è stata come rendere una cellula di mammifero resiliente a molteplici cicli di evoluzione e mutazioni, mantenendone al contempo la stabilità ed evitando che il sistema "barasse" trovando soluzioni banali che non risolvevano il problema.

Gli scienziati hanno trovato una soluzione utilizzando particelle chimeriche simili a virus, un progetto costituito dall'involucro esterno di un virus e dai geni di un altro. Questo progetto ha impedito al sistema di "barare".

Il progetto combinava elementi di due famiglie di virus molto diverse, creando il "meglio di entrambi i mondi". Il sistema risultante permetteva alle cellule di elaborare in parallelo molte diverse soluzioni possibili, con soluzioni migliorate che diventavano dominanti e quelle errate che sparivano.

"PROTEUS è stabile, robusto ed è stato validato in laboratori indipendenti. Incoraggiamo altri gruppi di ricerca a utilizzare questo metodo. Utilizzando PROTEUS, speriamo di stimolare lo sviluppo di una nuova generazione di enzimi, strumenti molecolari e terapie", ha affermato il Dott. Denes.

"Abbiamo reso questo sistema accessibile alla comunità scientifica e non vediamo l'ora di vedere come verrà utilizzato. Il nostro obiettivo è migliorare le tecnologie di editing genetico e perfezionare i farmaci a mRNA per ottenere effetti più potenti e specifici", ha aggiunto il professor Neely.