يستخدم باحثون الذكاء الاصطناعي لتصميم بروتينات تقطع بروتينات أخرى

تصمّم أدوات الذكاء الاصطناعي بروتينات تكسر روابط ظلّت مستقرة لمئات السنين

تقوم أدوات تصميم الذكاء الاصطناعي بإنشاء بروتينات تكسر الروابط المستقرة لمئات السنين.

البروتين عبارة عن سلسلة من الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط الببتيد. هذه السندات نفسها مستقرة للغاية. ويقدر أن نصف عمرهم يبلغ عدة مئات من السنين. لكن في بيئة الأرض، لا تدوم معظم البروتينات لفترة طويلة تقريبًا. وذلك لأن الكائنات الحية طورت عددًا من الأساليب لتحفيز تكسير الروابط الببتيدية التي تنوعت إلى عدد لا يحصى من الإنزيمات المتخصصة في هضم البروتين. البروتياز موجود في كل مكان ويقطع عمومًا البروتينات التي تدخل البيئة.

الآن، قام الباحثون بشكل أساسي بتقصير عملية التنويع باستخدام أدوات تصميم البروتين القائمة على الذكاء الاصطناعي لإزالة النواة التحفيزية لنوعين من البروتياز واستبدال بقية البروتين بالكامل. ويمكن ضبط الإنزيمات الناتجة لقطع بروتينات معينة إلى النصف، وقد أثبت الباحثون فعاليتها من خلال استخدامها لتحليل البروتينات المرتبطة بالأمراض العصبية.

لا تبدو الرابطة الببتيدية الأساسية رائعة بشكل خاص - فهي ما تحصل عليه عندما تربط مجموعة أمينية بحمض ما وتطلق جزيء الماء في هذه العملية. كما يوحي اسمها، تحتوي الأحماض الأمينية على مجموعات أمينية وحمضية تسمح لها بتكوين روابط الببتيد على جانبي الحمض الأميني. وهو أمر حيوي لبناء السلاسل الطويلة الموجودة في البروتينات. (تحتوي الأحماض الأمينية أيضًا على سلاسل جانبية ذات كيمياء مميزة تمنح العمود الفقري خصائصه الخاصة.)

يؤدي كسر هذه الروابط ببساطة إلى عكس العملية عن طريق كسر الرابطة الببتيدية وجزيء الماء وربط شظاياهما معًا. ونظرًا لأن كلا المكونين مستقران كيميائيًا، فإن التفاعل يتطلب حدوث إنزيم بأي تردد. بدون الإنزيمات، ستكون الرابطة الببتيدية النموذجية مستقرة في الماء لمئات السنين.

لقد طورت الحياة العديد من الآليات الأنزيمية التي تدير هذا التحفيز. اعتمد البحث الذي تمت مناقشته هنا على حالتين مختلفتين. أحدها هو بروتياز الزنك، حيث تقوم الشحنة الموجبة لذرة الزنك في رابطة الببتيد المكسورة بتنسيق الأجزاء الرئيسية من البروتياز وجزيء الماء. يسحب البروتياز بروتونًا جزئيًا من جزيء الماء، وينشطه لمهاجمة الرابطة الببتيدية وكسرها.

يسمى البروتياز الثاني الذي يستخدمه الباحثون بروتياز السيستين. في هذه الحالة، يتم تنشيط السيستين (أحد الأحماض الأمينية) الموجود في الإنزيم لمهاجمة الرابطة الببتيدية، مما يخلق وسيطًا مؤقتًا حيث يصبح جزء من البروتين المشقوق مرتبطًا كيميائيًا بالإنزيم. في نهاية المطاف، يشق جزيء الماء هذا الوسيط، ويحرر الجزء الثاني من البروتين المشقوق.

تتطلب كلتا الآليتين وجود حفنة من الأحماض الأمينية المحددة من البروتياز بالقرب من المركز التحفيزي للبروتياز. تساعد الأحماض الأمينية الأخرى الموجودة في البروتياز على ضمان تجميع هذه الأحماض الأمينية التحفيزية الرئيسية في المكان المناسب وفي الاتجاه الصحيح. قد يمارس ما تبقى من الأنزيم البروتيني أيضًا درجة معينة من الخصوصية تجاه البروتينات المشقوقة. يمكن لبعض البروتياز، مثل تلك النشطة في الجهاز الهضمي لدينا، إجراء جروح بجوار أي حمض أميني. البعض الآخر أكثر انتقائية بعض الشيء، ويفضلون تقليل الأحماض الأمينية المشحونة إيجابيا أو سلبيا. والقليل منها محدد جدًا، مثل البروتياز الذي ينشط الأنسولين، والذي يتحلل فقط بالقرب من مجموعة محددة جدًا من الأحماض الأمينية.

رأى الأشخاص الذين يقفون وراء العمل الجديد، ومعظمهم من مختبر ديفيد بيكر الحائز على جائزة نوبل في جامعة واشنطن، أن تصميم البروتياز يمثل تحديًا. على سبيل المثال، استقرار الروابط الببتيدية يعني أن التفاعلات لا يمكن أن تستمر بدون محفز فعال. وللحصول على هذا المحفز، هناك حاجة إلى ترتيب دقيق للغاية لأحماض أمينية محددة. لذلك لم يكن من الواضح أن أدوات تصميم بروتين الذكاء الاصطناعي التي طورها المختبر ستكون على مستوى المهمة.

كان لكلا المشروعين نهج مماثل. تمامًا مثل التطور، فقد بدأوا بالبروتياز الموجود. أحدها هو بروتياز الزنك، الذي كان يستخدم في الجهاز الهضمي للسرطان. والآخر عبارة عن بروتياز السيستين من الخميرة. وفي كلتا الحالتين، كانت بنية البروتين معروفة، بالإضافة إلى الأحماض الأمينية الرئيسية التي تحفز تحلل البروتينات الأخرى. بدأت عملية التصميم بهذه الأحماض الأمينية.

بدأت عملية التصميم ببرنامج يسمى RFdiffusion2، الذي يخلق العمود الفقري للإنزيم (يتكون العمود الفقري من روابط الببتيد المتكررة للبروتين). أعطى الباحثون RFdiffusion2 عددًا من القيود. في البداية، يجب على أي عمود فقري مصمم أن يجمع الأحماض الأمينية التحفيزية الرئيسية اللازمة للبروتياز الوظيفي. كما أعطوه أيضًا تسلسلًا مستهدفًا من الأحماض الأمينية حيث سيتم قطع البروتياز في النهاية. كان على العمود الفقري أن يضع هذا التسلسل المستهدف بالقرب من المركز الحفاز.

مع وجود العمود الفقري في مكانه، تم نقل العملية بعد ذلك إلى ProteinMPNN، وهي أداة تعمل على طول العمود الفقري وتملأه بأحماض أمينية محددة. (تظهر هذه الأداة في جهود جوجل لشرح البروتينات المصممة بواسطة الذكاء الاصطناعي.) تختار بروتين إم بي إن إن كل حمض أميني بناءً على مجموعة من القيود. في البداية، يجب أن يكون الحمض الأميني متوافقًا مع العمود الفقري القابل للطي في بنيته المبرمجة. بعد ذلك، في المناطق الحرجة، يجب أن يكون كل حمض أميني محدد متوافقًا مع تكوين الموقع التحفيزي للإنزيم. وأخيرًا، يجب أن يكون ذلك متوافقًا مع الالتزام بالهدف المقصود.

كرر الباحثون هذه العملية عشرات المرات بالنسبة لكل من بروتياز السيستين والزنك. بالنسبة لبروتياز السيستين، صنعوا 12 عمودًا فقريًا مختلفًا وملأوها بـ 69 مجموعة مختلفة من الأحماض الأمينية. بالنسبة لمشروع الزنك، جربوا 135 تصميمًا مختلفًا للبروتين. واستخدموا AlphaFold3 للتنبؤ ببنية العديد من هذه التصميمات ولم يعثروا على أي شيء مماثل في قواعد البيانات، مما يؤكد أن أدواتهم لم تكن تسرق ببساطة الهياكل التي تم تحديدها مسبقًا.

بدأ الباحثون بصنع بروتين واحد طويل يحتوي على البروتياز، وهو تسلسل مصمم لاستهدافه، وبروتين فلوري. ثم قاموا بإجراء اختبار لمعرفة ما إذا كان البروتين الفلوري قد تم تخفيفه. وفي حالة بروتياز السيستين، حصلوا على 13 تصميمًا ناجحًا، بنسبة نجاح 19%، على الرغم من أن جميعها كانت أقل نشاطًا بشكل ملحوظ من إنزيم الخميرة المستخدم كنموذج.

كان مشروع الزنك أكثر تعقيدًا بعض الشيء. لقد اختبروا العديد من التصاميم التي لم تتضمن جزيء الماء الذي يشارك عادة في هذا التفاعل. وكان معدل نجاحها منخفضًا نسبيًا، حيث أظهر 14 فقط من أصل 89 نشاطًا تحفيزيًا ضعيفًا. وعندما قاموا بنمذجة تلك التي لم تنجح، وجدوا أن هذه التصاميم غالبًا ما تسمح لجزيء الماء بحجب الموقع الذي يجب أن تحدث فيه التفاعلات.

لذلك، جربوا أيضًا تصميمات وضعوا فيها جزيء الماء في المكان المناسب كقيد إضافي للتصميم. وقد حققت هذه الأنشطة معدل نجاح أعلى بكثير، حيث تم تنفيذ 35 نشاطًا تحفيزيًا من أصل 38. ومع ذلك، مرة أخرى، كان نشاطهم أقل بكثير من نشاط الإنزيم المستخدم كنقطة انطلاق للتصاميم. (لقد حصلوا على تصميم بمستوى أفضل من النشاط، لكن لم يكن من الواضح أين يقطع البروتينات الأخرى).

ولمعرفة ما إذا كان من الممكن تحسين هذا النشاط، حدد الباحثون الأحماض الأمينية التي كانت مجاورة للموقع النشط للبروتياز، ولكنها لم تشارك بشكل فعال في التحفيز. وقاموا باستبدال حمض أميني في كل استبدال لم يكن من المتوقع أن يعطل بنية التصميم. ووجدوا إصداراتًا كانت أكثر نشاطًا بشكل ملحوظ. أفضل نسخة حددوها هي كسر رابطة الببتيد المتسارع بعامل 109 مع البقاء محددًا للغاية لتسلسل البروتين المستهدف المطلوب.

حدثت أشياء مماثلة مع البروتياز المعتمد على الزنك. كانت النسخة v2 من البروتياز، والتي تضمنت بعض الطفرات العشوائية، أكثر نشاطًا بمقدار 30 مرة من التصميم الأصلي الذي استند إليه. كما أنه يسرع انقسام الرابطة الببتيدية بعامل 1010.

كأحدث عرض واعد لهذا النهج، قام الباحثون بتصميم بروتياز الزنك الذي يمكنه استهداف البروتينات المرتبطة بالاضطرابات العصبية، مثل مرض الزهايمر والخرف الجبهي الصدغي. لم تنجح محاولة تعديل تصميمهم الحالي لاستهداف تسلسل جديد بشكل جيد، لذلك بدأوا العملية من الصفر وتمكنوا من العثور على شيء يمكنه قطع الهدف في الخلايا. بالنسبة للباحثين، يشير هذا إلى أننا قد نتمكن في النهاية من التأثير على مسار بعض الأمراض الوراثية من خلال استهداف البروتينات المعيبة التي تسببها.

الاستخدام العلاجي المحتمل لهذا معقد. غالبًا ما تواجه البروتينات صعوبة في الوصول إلى حيث تكون هناك حاجة إليها ويمكن أن تؤدي في كثير من الأحيان إلى استجابة مناعية. إذا كان هدف البروتياز موجودًا داخل الخلية بدلًا من خارجها، تصبح الأمور أكثر صعوبة. والذي يفترض أنه يتطلب من الخلايا المستهدفة صنع الأنزيم البروتيني، والذي يتضمن توصيل الجين الذي يشفره إلى الخلايا حيث تكون هناك حاجة إليه. ولذلك، هناك عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن نتمكن من البدء في تطوير علاجات باستخدام هذه التكنولوجيا.

يوضح الباحثون أيضًا كيف يكشف العمل عن بعض القيود المفروضة على الأداة. كما تم استخدامها، نجحوا في تصميم بروتينات تتوافق مع جميع القيود الفيزيائية التي أعطيت لهم: قاموا بتجميعها في هياكل جلبت الأحماض الأمينية اللازمة لتحفيز التفاعل إلى المكان المناسب تقريبًا وربطها بتسلسلات أحماض أمينية مستهدفة محددة.

لكن ليس لدينا حاليًا القدرة على إخبار هذه الأدوات بأننا نريد نشاطًا تحفيزيًا محددًا. افتقرت العديد من التصاميم إلى بعض التفاصيل الدقيقة التي تجعل الإنزيمات المتطورة محفزات عظيمة. بمعنى آخر، الأدوات رائعة من حيث البنية، ولكنها ليست بالضرورة رائعة من حيث الوظيفة. وعلى الرغم من أن البنية ضرورية للأداء، إلا أنها ليست كل شيء. وكما لاحظ الباحثون، فإن إدخال طفرات عشوائية لا يزال بإمكانه إنتاج تغييرات هيكلية دقيقة تنتج إنزيمات أكثر نشاطًا بشكل ملحوظ.

وبطبيعة الحال، يبلغ عمر برنامج تصميم البروتين هذا بضع سنوات فقط، وقد يكون لدى كل من المطورين والمستخدمين أفكار لتضمين قيود تتجاوز الموقع الفعلي.

طبيعة، 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11143-w، 10.1038/s41586-026-11167-2 (حول DOIs).

جون هو محرر العلوم في Ars Technica. حصل على بكالوريوس الآداب في الكيمياء الحيوية من جامعة كولومبيا، ودرجة الدكتوراه. في علم الأحياء الجزيئي والخلوي من جامعة كاليفورنيا، بيركلي. عندما ينفصل جسديًا عن لوحة المفاتيح الخاصة به، فإنه يميل إلى البحث عن دراجة أو مكان خلاب ليرتبط بحذاء المشي الخاص به.