นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างระบบ “ปัญญาประดิษฐ์ทางชีวภาพ”

นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบวิจัยที่ใช้ “ปัญญาประดิษฐ์ทางชีวภาพ” เพื่อออกแบบและพัฒนาโมเลกุลที่มีหน้าที่ใหม่หรือได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นโดยตรงในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นักวิจัยกล่าวว่าระบบนี้เป็นเครื่องมือใหม่ที่ทรงพลัง ซึ่งอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนายาหรือยีนบำบัดที่มีความเฉพาะเจาะจงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ระบบที่เรียกว่า PROTEUS (PROTein Evolution Using Selection) ใช้วิธีการที่เรียกว่า “วิวัฒนาการแบบมีทิศทาง” ซึ่งเป็นเทคนิคในห้องปฏิบัติการที่เลียนแบบพลังธรรมชาติของวิวัฒนาการ แต่แทนที่จะใช้เวลาหลายปีหรือหลายทศวรรษ ระบบนี้กลับเร่งวงจรวิวัฒนาการและการคัดเลือกโดยธรรมชาติให้เร็วขึ้น ก่อให้เกิดโมเลกุลที่มีฟังก์ชันใหม่ภายในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์

สิ่งนี้อาจส่งผลโดยตรงต่อการค้นหายาใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ระบบนี้อาจนำไปใช้ปรับปรุงเทคโนโลยีการตัดแต่งยีน เช่น CRISPR ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

“นี่หมายความว่า PROTEUS สามารถใช้สร้างโมเลกุลใหม่ๆ ที่มีการปรับให้เหมาะสมที่สุดในการทำงานในร่างกายของเรา และเราสามารถสร้างยาใหม่ๆ ที่สร้างได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยโดยใช้เทคโนโลยีปัจจุบัน” ศาสตราจารย์ Greg Neely หัวหน้าห้องปฏิบัติการจีโนมิกส์เชิงฟังก์ชันของ Dr John และ Anne Chong แห่งมหาวิทยาลัยซิดนีย์ ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าว

“ความแปลกใหม่ของงานของเราคือวิวัฒนาการแบบมีทิศทางนั้นเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในเซลล์แบคทีเรีย ในขณะที่ PROTEUS สามารถวิวัฒนาการเป็นโมเลกุลในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้”

ระบบ PROTEUS สามารถแก้ปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบที่แน่นอนได้ คล้ายกับวิธีที่ผู้ใช้ป้อนคำถามลงในแพลตฟอร์มปัญญาประดิษฐ์ ตัวอย่างเช่น ปัญหาอาจอยู่ที่วิธีการ "ปิด" ยีนของโรคในร่างกายคนอย่างมีประสิทธิภาพ

จากนั้น PROTEUS จึงใช้วิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางเพื่อสำรวจลำดับที่เป็นไปได้นับล้านลำดับที่ยังไม่มีอยู่ในธรรมชาติ และค้นพบโมเลกุลที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวสูง ซึ่งหมายความว่า PROTEUS สามารถค้นพบคำตอบที่นักวิจัยมนุษย์ต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะค้นพบ — หากพวกเขาสามารถค้นพบคำตอบนั้นได้

นักวิทยาศาสตร์รายงานว่าด้วยความช่วยเหลือของ PROTEUS พวกเขาได้พัฒนาโปรตีนรุ่นปรับปรุงที่ควบคุมด้วยยาได้ง่ายขึ้น รวมถึงนาโนบอดี (แอนติบอดีขนาดเล็ก) ที่สามารถตรวจจับความเสียหายของดีเอ็นเอ ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญที่นำไปสู่การพัฒนามะเร็ง อย่างไรก็ตาม ดังที่ผู้เขียนได้เน้นย้ำไว้ การประยุกต์ใช้ PROTEUS ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเท่านี้: สามารถใช้เพื่อปรับปรุงการทำงานของโปรตีนและโมเลกุลส่วนใหญ่ได้

ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารNature Communicationsงานวิจัยนี้ดำเนินการที่ศูนย์ Charles Perkins แห่งมหาวิทยาลัยซิดนีย์ โดยร่วมมือกับนักวิจัยจากสถาบัน Centenary

การค้นพบการเรียนรู้ของเครื่องจักรระดับโมเลกุล

การพัฒนาดั้งเดิมของวิธีวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางซึ่งนำไปใช้ครั้งแรกกับแบคทีเรียได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2018

“การคิดค้นวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางได้เปลี่ยนแปลงวิถีชีวเคมี ปัจจุบัน ด้วยโปรตีอัส เราสามารถเขียนโปรแกรมเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมให้แก้ปัญหาทางพันธุกรรมที่เรายังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน หากเราปล่อยให้ระบบทำงานอย่างต่อเนื่อง เราก็สามารถตรวจสอบวิธีการแก้ปัญหาได้อย่างสม่ำเสมอ” ดร. คริสโตเฟอร์ เดนส์ หัวหน้านักวิจัยจากศูนย์ชาร์ลส์ เพอร์กินส์ และคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพและสิ่งแวดล้อม กล่าว

ความท้าทายหลักที่ Denes และทีมของเขาเผชิญก็คือวิธีการสร้างเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมให้มีความทนทานต่อวงจรวิวัฒนาการและการกลายพันธุ์หลายรอบในขณะที่ยังคงความเสถียรและป้องกันไม่ให้ระบบ "โกง" ด้วยการค้นหาวิธีแก้ปัญหาเล็กๆ น้อยๆ ที่ไม่ตอบโจทย์งานที่อยู่ตรงหน้า

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีแก้ปัญหาด้วยการใช้อนุภาคคล้ายไวรัสไคเมอริก ซึ่งเป็นการออกแบบที่ประกอบด้วยเปลือกนอกของไวรัสหนึ่งตัวและยีนของอีกตัวหนึ่ง การออกแบบนี้ป้องกันไม่ให้ระบบ "โกง"

การออกแบบนี้ผสมผสานองค์ประกอบของไวรัสสองตระกูลที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ก่อให้เกิด "สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก" ระบบที่ได้ทำให้เซลล์สามารถประมวลผลวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้มากมายพร้อมกัน โดยที่วิธีแก้ปัญหาที่ดีขึ้นจะกลายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่โดดเด่น และวิธีแก้ปัญหาที่ไม่ถูกต้องจะหายไป

“PROTEUS มีความเสถียร แข็งแกร่ง และได้รับการรับรองจากห้องปฏิบัติการอิสระ เราสนับสนุนให้กลุ่มวิจัยอื่นๆ ใช้วิธีการนี้ ด้วยการใช้ PROTEUS เราหวังว่าจะกระตุ้นการพัฒนาเอนไซม์ เครื่องมือระดับโมเลกุล และยารักษาโรครุ่นใหม่” ดร. เดนส์ กล่าว

“เราได้เปิดระบบนี้ให้กับชุมชนนักวิจัย และตั้งตารอที่จะได้เห็นว่าระบบนี้จะถูกนำไปใช้อย่างไร เป้าหมายของเราคือการพัฒนาเทคโนโลยีการตัดแต่งยีนและปรับแต่งยา mRNA เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพและเฉพาะเจาะจงมากขึ้น” ศาสตราจารย์นีลีกล่าวเสริม