Wir stellen Perceptein vor, ein proteinbasiertes künstliches neuronales Netzwerk in lebenden Zellen

Die Westlake University in China und das California Institute of Technology haben ein proteinbasiertes System in lebenden Zellen entwickelt, das mehrere Signale verarbeiten und darauf basierend Entscheidungen treffen kann.

Die Forscher haben auch einen einzigartigen Begriff eingeführt: „Perceptein“ als Kombination aus Protein und Perceptron. Perceptron ist ein grundlegendes Konzept eines künstlichen neuronalen Netzwerks, das binäre Klassifizierungsprobleme effektiv löst, indem es Eingabemerkmale einer Ausgabeentscheidung zuordnet.

Durch die Verschmelzung von Konzepten aus der Theorie neuronaler Netzwerke mit Protein-Engineering stellt „Perceptein“ ein biologisches System dar, das in der Lage ist, Klassifizierungsberechnungen auf Proteinebene durchzuführen, ähnlich einem einfachen künstlichen neuronalen Netzwerk. Dieser „Wahrnehmungsschaltkreis“ kann verschiedene Signale klassifizieren und entsprechend reagieren, beispielsweise die Entscheidung, am Leben zu bleiben oder sich dem programmierten Zelltod zu unterziehen.

Zellen verarbeiten auf natürliche Weise mehrere Klassifizierungshinweise wie Stress und Entwicklungssignale, um Zellfunktionen mit unterschiedlichen Ergebnissen auszulösen. Immunzellen reagieren auf Bedrohungen basierend auf den Signalen, die sie erkennen. Der p53-Signalweg bestimmt, ob Schäden repariert oder selbst zerstört werden, um Krebs vorzubeugen.

Wissenschaftler haben sich schwer getan, künstliche Systeme zu schaffen, die diesen Entscheidungsprozess innerhalb von Zellen nachbilden können. Die meisten bestehenden Versuche basieren auf DNA oder RNA, die langsam und weniger direkt sein können. Anstelle von DNA-basierten Systemen bauten die Forscher ihren Entscheidungskreislauf mit Proteinen, De-novo-Protein-Heterodimeren und manipulierten Proteasen auf.

Durch die Bildung von Proteinpaaren, die sich auf spezifische Weise verbinden, ordnen sich die Proteine ​​im Perceptein-Netzwerk an, wobei einige Proteine ​​sich selbst aktivieren und andere hemmen. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Vorhandensein mehrerer Signale nur das stärkste eine Reaktion auslöst und schwächere Signale ignoriert werden.

In der Studie „Ein synthetisches neuronales Netzwerk auf Proteinebene in Säugetierzellen“ veröffentlicht In WissenschaftForscher zeigten, dass Perceptein-Schaltkreise Signaleingänge mit einstellbaren Entscheidungsgrenzen unterscheiden können und so die Möglichkeit bieten, komplexe zelluläre Reaktionen ohne Transkriptionsregulierung zu steuern.

Das Team stellte sechs Perceptein-Proteinkomponenten und zwei Eingangsproteine ​​zusammen, die für einen vollständigen Schaltkreis mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen erforderlich sind. Sie wählten zwei bekannte Proteasen aus, die Split-Tabacco-Etch-Virus-Protease und die Tabak-Vene-Mottling-Virus-Protease, und fusionierten sie auf eine Weise, die die Spaltung und den Abbau der Protease kontrolliert.

Um die Aktivierung des Perceptein-Schaltkreises zu testen, entwickelten die Forscher eine stabile humane embryonale Nieren-Reporterzelllinie. Diese Zelllinie enthielt ein Konstrukt, das gleichzeitig zwei fluoreszierende Proteine ​​exprimierte: Citrine und mCherry.

Jedes fluoreszierende Protein wurde mit einem durch Spaltung aktivierten N-Degron (Abbausignal) markiert, das für eine der beiden Eingangsproteasen im Perceptein-Kreislauf spezifisch ist. Wenn eine entsprechende Protease aktiv war, spaltete sie das Degron und reduzierte so die Fluoreszenz. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, die Aktivität anhand der Fluoreszenzniveaus visuell und quantitativ zu bewerten. Das Team bestätigte, dass jede Proteasevariante die Fluoreszenz nur ihres Zielreporters spezifisch reduzierte.

Weitere Validierungsschritte zeigten, dass die Input-Proteine ​​ihre Zielproteasen korrekt wiederherstellten. Durch die Änderung der Perceptein-Komponentenniveaus konnten sie die Entscheidungsergebnisse effektiv optimieren und die Leistung blieb hoch, selbst wenn das Eingabe-Timing variierte oder Rauschen eingeführt wurde.

Um die praktische Anwendung zu demonstrieren, verbanden die Forscher den Ausgang des Perceptein-Schaltkreises mit einem Caspase-3-Apoptoseweg. Diese Verknüpfung ermöglichte es dem Schaltkreis, den Zelltod auf der Grundlage spezifischer Eingabebedingungen auszulösen und fluoreszenzbasierte Ausgaben in Entscheidungen über Leben oder Tod der Zellen umzuwandeln.

Die Studie demonstriert die Machbarkeit der Konstruktion künstlicher, von neuronalen Netzwerken inspirierter Schaltkreise in Säugetierzellen unter Verwendung synthetischer Proteine, um komplexe Signalklassifizierungen durchzuführen. Diese Schaltkreise haben potenzielle Anwendungen in programmierbaren Therapien, bei denen Zellen auf krankheitsspezifische Signale mit maßgeschneiderten Ausgängen reagieren könnten, beispielsweise selektiver Apoptose oder anderen zellulären Reaktionen.

Es gibt auch offensichtliche Implikationen für den Aufbau komplexer Rechensysteme aus interagierenden Proteinen als eine Form biologischer künstlicher Intelligenz, obwohl solche Überlegungen außerhalb des Rahmens der aktuellen Forschungsbemühungen liegen.

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