Zum ersten Mal haben Wissenschaftler maschinelles Lernen genutzt, um brandneue Enzyme zu entwickeln, bei denen es sich um Proteine handelt, die chemische Reaktionen beschleunigen. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Gebiet des Proteindesigns, da neue Enzyme viele Anwendungen in der Medizin und in der industriellen Fertigung haben könnten.
„Lebende Organismen sind bemerkenswerte Chemiker. Anstatt sich auf giftige Verbindungen oder extreme Hitze zu verlassen, verwenden sie Enzyme, um alles, was sie brauchen, unter schonenden Bedingungen abzubauen oder aufzubauen. Neue Enzyme könnten erneuerbare Chemikalien und Biokraftstoffe in Reichweite bringen“, sagte Seniorautor David Baker , Professor für Biochemie an der University of Washington School of Medicine und Empfänger des Breakthrough Prize 2021 in Life Sciences.
Wie am 22. Februar im Journal berichtet Natur, ein Team am Institut für Proteindesign der UW Medicine, entwickelte maschinelle Lernalgorithmen, die lichtemittierende Enzyme namens Luciferasen erzeugen können. Labortests bestätigten, dass die neuen Enzyme spezifische Chemikalien erkennen und Licht sehr effizient emittieren können. Dieses Projekt wurde von zwei Postdoktoranden im Baker Lab, Andy Hsien-Wei Yeh und Christoffer Norn, geleitet.
Der Natur Das Papier trägt den Titel „De novo design of luciferases using deep learning“.
Um neue Luciferase-Enzyme herzustellen, wählte das Team zunächst Chemikalien namens Luciferine aus, auf die die Proteine einwirken sollten. Anschließend verwendeten sie Software, um Tausende möglicher Proteinstrukturen zu generieren, die mit diesen Chemikalien reagieren könnten.
Während Labortests identifizierten die Forscher ein effizientes Enzym namens LuxSit (Es werde Licht). Das Enzym führte die gewünschte chemische Reaktion durch. Die Verfeinerung des Enzyms führte zu dramatischen Leistungssteigerungen. Ein optimiertes Enzym namens LuxSit-i erzeugte genug Licht, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein. Es wurde festgestellt, dass es heller ist als das natürliche Luciferase-Enzym, das im leuchtenden Meer-Stiefmütterchen Renilla reniformis vorkommt.
„Wir waren in der Lage, sehr effiziente Enzyme von Grund auf am Computer zu entwickeln, anstatt uns auf Enzyme aus der Natur zu verlassen. Dieser Durchbruch bedeutet, dass im Prinzip kundenspezifische Enzyme für fast jede chemische Reaktion entwickelt werden könnten“, sagte Yeh.
Von neuen Enzymen könnten Biotechnologie, Medizin, Umweltsanierung und Fertigung profitieren. In der Biotechnologie können Enzyme beispielsweise die Produktion von Biokraftstoffen, die Lebensmittelverarbeitung und die pharmazeutische Herstellung verbessern. In der Medizin können Enzyme als therapeutische und diagnostische Hilfsmittel dienen. Das Enzymdesign kann die Umwelt verbessern, indem es Schadstoffe abbaut oder kontaminierte Standorte saniert, und Enzyme können auch bei der Herstellung neuer Materialien wie biologisch abbaubarer Kunststoffe und Klebstoffe helfen.
Diese Forschung wurde von Wissenschaftlern der UW School of Medicine geleitet und umfasste Mitarbeiter der University of California, Los Angeles.
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Andy Hsien-Wei Yeh et al., De novo design of luciferases using deep learning, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05696-3