Naukowcy wykorzystali sztuczną inteligencję, aby odkryć, w jaki sposób białka odpornego na ciepło drobnoustroju opierają się ciśnieniu głębinowemu, co dało wgląd w życie w ekstremalnych środowiskach i przyspieszyło badania nad potencjalnym życiem pozaziemskim.
Naukowcy, korzystając z narzędzia sztucznej inteligencji Google, odkryli, w jaki sposób białka kochającego ciepło drobnoustroju dostosowują się do ekstremalnych ciśnień występujących w najgłębszych rowach oceanicznych planety. Odkrycie to dostarcza świeżego wglądu w to, jak te niezbędne składniki życia mogły ewoluować w trudnych warunkach panujących na wczesnej Ziemi.
Wyniki, niedawno opublikowane w Życie PRXprawdopodobnie zainspiruje do dalszych badań nad wewnętrznym działaniem białek i życia na innych planetach oraz posłuży jako udane studium przypadku pokazujące, w jaki sposób sztuczna inteligencja był w stanie przyspieszyć takie badania o dziesięciolecia.
Odkrywanie elastyczności białek pod presją
„Ta praca daje nam lepszy pogląd na to, w jaki sposób można zaprojektować nowe białko, aby wytrzymywało stres, oraz nowe wskazówki dotyczące tego, jakie typy białek będą częściej występować w środowiskach wysokociśnieniowych, takich jak te na dnie oceanu lub na innym planety” – powiedział Stephen Fried, chemik z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, który współkierował badaniami.
Zespół Frieda poddany Termus termofilny — mikroorganizm szeroko stosowany w eksperymentach naukowych ze względu na jego zdolność do wytrzymywania ciepła – symulowanego w laboratorium ciśnienia naśladującego ciśnienie panujące w Rowie Mariańskim. Testy wykazały, że niektóre białka są odporne na taki poziom naprężenia, ponieważ mają wbudowaną elastyczność i dodatkową przestrzeń między strukturami atomowymi, a konstrukcja umożliwia im kompresję bez zapadania się.
Sposób, w jaki budują białka, czyli aminokwasy kwas łańcuchy, „składanie” lub organizowanie w struktury 3D określa ich funkcję. Struktury te mogą jednak być bardzo wrażliwe na temperaturę, ciśnienie i inne czynniki środowiskowe (a także na wpadki biochemiczne i genetyczne), które powodują ich nieprawidłowe składanie się w dysfunkcjonalne kształty.
Analiza pokazuje, że 60% białek bakterii oparło się naciskowi, podczas gdy reszta ugięła się pod nim, a ich kształt uległ deformacji, szczególnie w punktach lub miejscach, o których wiadomo, że pełnią ważną funkcję biochemiczną. Odkrycia te mogą pomóc wyjaśnić, w jaki sposób inne organizmy rozwijają się pod ekstremalnym ciśnieniem, które mogłoby zabić większość żywych istot.
„Życie miało oczywiście ewolucyjną tendencję do dostosowywania się do różnych środowisk przez miliardy lat, ale ewolucja może czasami brzmieć niemal jak coś magicznego” – powiedział Fried. „Tutaj naprawdę dochodzimy do biofizyki tego, jak to się dzieje i widzimy, że dzieje się tak dzięki prostemu rozwiązaniu geometrycznemu w trójwymiarowym układzie cegiełek budulcowych tych białek”.
Rola sztucznej inteligencji w przyspieszaniu odkryć
Odkrycia świadczą o potencjale sztucznej inteligencji w zakresie odkryć naukowych, powiedział Fried. Łącząc możliwości narzędzia Google AlphaFold, zespół zmapował części wrażliwe na nacisk T. thermophilus’ cały zestaw białek. Narzędzie AI przewidziało strukturę ponad 2500 białek organizmu, pomagając zespołowi obliczyć korelację między ich konfiguracjami a odpornością na zmiany ciśnienia. Jest to wyczyn, którego ukończenie na podstawie samych bezpośrednich pomiarów zajęłoby wiele dziesięcioleci – powiedział Fried.
Chociaż organizm modelowy jest znany ze swojej zdolności do rozwoju wokół gorących źródeł lub kominów hydrotermalnych zamiast wytrzymywania ciśnienia w głębokich oceanach, odkrycia mogą rzucić światło na życie w głębinach oceanów, które jest niezwykle niedostatecznie zbadane – a także nieznane – stwierdziła autorka Haley Moran , chemik z Johns Hopkins, który bada „ekstremalne” organizmy.
„Wiele osób przewiduje, że jeśli znajdziemy życie pozaziemskie, to znajdziemy je głęboko w oceanie jakiejś planety lub księżyca. Ale nie do końca rozumiemy życie w naszym własnym oceanie, gdzie jest ich wiele gatunek które nie tylko tolerują to, co mogłoby nas zabić, ale też to kochają i prosperują w tym” – powiedział Moran. „Bierzemy białka, jeden z elementów składowych życia, i poddajemy je ekstremalnym warunkom, aby zobaczyć, jak mogą się przystosować, aby przekraczać granice życia”.
Odkrycia podkreślają również, w jaki sposób testy wysokociśnieniowe mogą ujawnić dodatkowe funkcje molekularne, które pozostają ukryte w innych organizmach. Do tej pory konwencjonalne myślenie było takie, że poziom ciśnienia musiałby zostać podniesiony daleko poza poziom rowu oceanicznego, aby wpłynąć na biochemię białka, powiedział autor Richard Gillilan, chemik z Cornell University, który pomógł opracować eksperymenty wysokociśnieniowe.
„Byliśmy naprawdę zaskoczeni, ale w miarę sprawdzania liczb i poszczególnych struktur molekularnych zdaliśmy sobie sprawę, że to mapa skarbów” – powiedział Gillilan. „Otworzyliśmy drzwi, które zapewnią wiele nowych celów badaniom strukturalnym i biofizycznym, a być może nawet odkryciu leków”.
Następnie zespół zajmie się eksperymentami na innych organizmach, zwłaszcza tych, które rozwijają się pod wysokim ciśnieniem w głębinach oceanu.
Odniesienie: „Proteome-Wide Assessment of Protein Structural Perturbations under High Pressure” autorstwa Haley M. Moran, Edgar Manriquez-Sandoval, Piyoosh Sharma, Stephen D. Fried i Richard E. Gillilan, 9 września 2024 r., Życie PRX.
DOI: 10.1103/PRXLife.2.033011
Inni autorzy to Edgar Manriquez-Sandoval i Piyoosh Sharma z Johns Hopkins.
Badania były wspierane przez National Science Foundation, Wydział Biologii Molekularnej i Komórkowej NSF, the Narodowe Instytuty ZdrowiaNarodowy Instytut Ogólnych Nauk Medycznych, Fundacja Albsteina na rzecz Badań nad Mózgiem i Empire State Development Corporation w stanie Nowy Jork.
