Los investigadores dirigidos por el ganador Nobel de la Universidad de Washington logran un avance científico
Un equipo de la Universidad de Washington dirigido por el Premio Nobel David Baker está utilizando inteligencia artificial para diseñar enzimas efectivas desde cero, un logro que los investigadores llaman "uno de los grandes desafíos de la ciencia".
Las enzimas son los magos del mundo natural, proteínas que pueden transformar las moléculas y acelerar rápidamente las reacciones químicas en condiciones leves. Se encuentran en todas las células vivas y son esenciales para la vida. Las enzimas ya se están aprovechando para la producción de drogas y los procesos industriales. Las herramientas recientemente desarrolladas para la creación de enzimas podrían desbloquear aplicaciones de gran alcance.
"Ahora podemos hacer estas enzimas adaptadas a cualquier reacción de interés, teóricamente", dijo Anna Lauko, una reciente Ph.D. Graduado de Baker’s Lab. "Está volteado de la manera en que haríamos el diseño de enzimas".
Lauko es un autor co-líder de un artículo de investigación que se publicará hoy en la revista Science. Sus co-líder son Sam Pellock, un instructor interino en el laboratorio, y Kiera Sumida, uno de los estudiantes graduados de Baker.
El año pasado, Baker, un bioquímico y director del Instituto de Diseño de Proteínas en UW Medicine, ganó un Premio Nobel de Química por su trabajo desentrañando el diseño molecular de proteínas y tecnologías en desarrollo para usar IA para construir y probar nuevos.
En el pasado, los científicos hicieron enzimas Frankenstein, uniendo componentes de las proteínas existentes con la esperanza de que las partes ensambladas pudieran manejar una tarea precisa. Pero las enzimas a menudo necesitan realizar operaciones matizadas, cambiando las formas varias veces mientras manipulan las moléculas.
Pellock comparó el enfoque antiguo para el diseño de enzimas con ir a una tienda de segunda mano para obtener un traje.
"Es poco probable que encuentres un traje que se adapte bien", dijo, y las enzimas eran de la misma manera. Incluyeron las piezas básicas, pero no coincidieron perfectamente con las moléculas con las que necesitaban interactuar. El nuevo enfoque produce proteínas a medida.
Para probar su enfoque de vanguardia, los investigadores de la UW se centraron en una enzima bien estudiada llamada serina hidrolasa. La enzima puede escindir un enlace químico que es clave para la estructura de muchas moléculas que contienen carbono, incluidos plásticos, poliésteres y una grasa común en humanos.
El equipo utilizó el modelo RFDiffusion, un programa de IA para generar proteínas que anteriormente fue desarrollada por Baker’s Lab y es de código abierto. Combinaron eso con una herramienta más nueva llamada Placer que los ayudó a identificar a los candidatos enzimáticos de novo más prometedores. Luego, los científicos probaron el rendimiento de las enzimas creadas por la máquina.
"Todavía no son tan buenas como las enzimas nativas", dijo Pellock. "Pero fuera de la computadora, estos se encuentran entre los mejores que se han hecho y se hicieron con muy alta precisión".
El logro es un hito y demuestra que los investigadores se están acercando a hacer nuevas enzimas para tareas impulsadas por los humanos que podrían superar lo que la naturaleza ha producido.
Sumida, por ejemplo, está trabajando para construir una enzima que pueda ayudar a degradar el exceso de desechos plásticos del planeta. El plástico es una sustancia increíblemente nueva a escala evolutiva, por lo que no ha habido mucho tiempo para que las enzimas evolucionen que pueden descomponerla.
Hay una enzima en la familia serina hidrolasa que puede cortar los enlaces en el plástico que se usa para hacer botellas de agua y otros productos, pero hay muchos otros tipos de plásticos que deben eliminarse de manera sostenible.
"Pensamos que sería una aplicación realmente buena si pudiéramos construir estas enzimas desde cero", dijo, y las personalizó para diferentes tipos de plástico.
Los investigadores están ansiosos por el advenimiento de las enzimas de alto rendimiento y diseñadas por IA después de décadas de esfuerzos en gran medida decepcionantes.
"Esperemos que comience a escuchar más sobre los proyectos de diseño de enzimas", dijo Pellock, "porque en realidad producirán una enzima funcional al final de ellos".
Autores adicionales para el documento de ciencias son David Baker, Ivan Anishchenko, David Juergens, Woody Ahern, Jihun Jeung, Alex Shida, Andrew Hunt, Indrek Kalvet, Christoffer Norn, Ian Humphreys, Cooper Jamieson, Rohith Krishna, Yakov Kipnis, Alex Kang, Evans, Evans Brackenbrough, Asim Bera, Banumathi Sankaran y Kn Houk.
Las afiliaciones del autor incluyen los siguientes departamentos y programas de la UW: bioquímica; Física biológica, estructura y diseño; Instituto de diseño de proteínas; Ingeniería molecular; química; el Instituto Médico Howard Hughes; y la Escuela de Informática e Ingeniería Paul G. Allen. También contribuyó un científico del Departamento de Química y Bioquímica de UCLA.
