Kimya Nobel’i, proteinlerin yeni görevleri yerine getirmesi için yapılan çalışmaları takdir ediyor.
Nobel Ödülleri genellikle onlarca yıllık başarıları takdir eder. Ancak bu yılki kimya ödülü, geçtiğimiz hafta kısmen meyvesini vermeye yeni başlayan çok yeni bir çalışma için verildi: Yapay zekayı (YZ) kullanarak daha önce hiç görülmemiş proteinler tasarlamak. Proteinler, doğada milyonlarcası bulunan yaşamın işgücü molekülleridir, ancak yenileri tıp ve teknolojiyi dönüştürebilir. Yeni araçlar araştırmacıların aşılar ve kanser tedavisi için tasarımcı proteinler, yapay kirlilik yiyen enzimler ve minerallerin büyümesini tohumlayabilen moleküler montajlar üretmesini sağladı. Stanford Üniversitesi’nde protein tasarımcısı olan Possu Huang, “Ne inşa edebileceğimizi öğrenmenin henüz başındayız,” diyor.
Bu yılki 1,1 milyon dolarlık ödülün yarısı, kötü şöhretli protein katlama problemini neredeyse çözen bir yapay zeka programı olan AlphaFold’u tasarlama çalışmalarından dolayı Google’ın DeepMind’ından John Jumper ve Demis Hassabis’e gitti: Bir proteinin şeklini ve dolayısıyla işlevini kimyasal dizisinden tahmin etmek. 2020’de Jumper ve Hassabis, protein yapıları ve animo asit dizilerinden oluşan devasa veri tabanlarında eğitilen AlphaFold 2’nin, birçok durumda protein şekillerini, doğrudan görüntüleyen x-ışını kristalografisi gibi teknikler kadar iyi tahmin ettiğini gösterdi. Ödülün diğer yarısı, ters problemi ele aldığı için Washington Üniversitesi’nden (UW) David Baker’a gitti: Bir proteinin istenen işlevinden, bu işi yapabilecek bir moleküle katlanacak amino asit dizisine geçmek.
Baker, sipariş üzerine yeni bir protein yapma fikrinin “bir nevi çılgınca bir uçta” olduğunu söylüyor. Ancak 2003’te kendisi ve meslektaşları, bilinen protein yapılarının veritabanlarını tarayarak yeni, varsayımsal bir proteinde yararlı olabilecek parçaları arayan Rosetta adlı bir yazılımla bunun mümkün olduğunu gösterdiler. Rosetta, erken bir gösteride, teoride biyoloji tarafından kullanılmayan bir şekle sahip Top7 adlı bir proteini oluşturacak olan 93 amino asitlik bir diziyi tükürdü. Tasarımı doğrulamak için Baker’ın ekibi, Top7’yi kodlayan bir geni sentezledi ve bunu bakteriye ekledi. Üretilen proteini hasat ettiler ve yapısının tahmin edildiği gibi olduğunu belirlemek için onu x-ışınlarına maruz bıraktılar. Top7 önemli bir işlev görmese de, çıkarımları devrim niteliğindeydi. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan’da protein tasarımcısı olan Casper Goverde, “Artık istediğimiz hemen hemen her protein şeklini tasarlayabiliyoruz” diyor.
Baker’ın erken deneylerinden bu yana, protein tasarım yazılımları giderek daha güçlü AI tekniklerini bünyesine kattı. Örneğin, Haziran ayında Huang’ın ekibi, yalnızca bir proteinin genel “omurgasını” değil, aynı zamanda kenarları boyunca belirli atom kümelerini de tasarlamaya yönelik Protpardelle adlı bir model bildirdi – işlev için kritik olan sözde “yan zincirler”. Ve bu yılın başlarında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde bilgisayar bilimcisi olan Bonnie Berger liderliğindeki araştırmacılar, tasarım sürecini yönlendirecek doğada çok az yakın kuzeni bulunan “yetim” proteinleri tasarlamakta daha iyi olan OmegaFold adlı yazılımı tanıttı. Berger, “Günümüzde her şey çok hızlı ilerliyor,” diyor.
Aşılar erken bir kazanç oldu. 2020’de, COVID-19 salgını başladıktan kısa bir süre sonra, UW araştırmacıları SARS-CoV-2’nin sivri proteininin belirli bir kısmına bağlanan ve virüsün insan hücrelerine nüfuz etmesini engelleyen proteinler tasarladılar. Sivri proteinin bu kısmını belirlemek, bağışıklık sistemini SARS-CoV-2’deki aynı yapıları tanıması ve etkisiz hale getirmesi için eğitmek üzere kritik protein kısmının düzinelerce kopyasını bir protein çekirdeği etrafına dizerek bir aşı tasarlamalarını sağladı. Başarılı insan denemelerinin ardından, SKYCovione adı verilen aşı geçen yıl Güney Kore ve Birleşik Krallık’ta kullanım için onaylandı, ancak salgının azalması nedeniyle üretim artık rafa kaldırıldı. UW araştırmacıları, yıllık güçlendirici dozlara olan ihtiyacı ortadan kaldırabilecek geniş spektrumlu bir grip aşısı ve bebeklerin ve yaşlıların başlıca katili olan solunum sinsitiyal virüsüne karşı bir aşı dahil olmak üzere diğer aşılar üzerinde çalışıyor.
Tasarımcılar ayrıca kanser hücrelerinin yüzeyindeki belirgin molekülleri arayıp onlara bağlanacak proteinler geliştiriyorlar ve bunları kemoterapi ilaçları tarafından yok edilmek üzere etiketliyorlar; bu ilaçlar doğal olarak tasarlanmış virüs benzeri protein kapları tarafından iletilir. Ancak tümör hücreleri, tüm hücreler gibi, çözünmeyen proteinlerden oluşan yağlı bir zarla çevrilidir. Bu, araştırmacıların onlara en iyi şekilde saldırabilecek ilaçları (kemoterapiler veya aşı kaynaklı antikorlar olsun) çözeltide test etmesini zorlaştırır. Haziran ayında Goverde, tüm olağan işlevlerini korurken, zar proteinlerini çözünür hale getirmek için yeniden tasarladıklarını bildirdi. Goverde, “Daha sonra bunları gerçek şeyi hedef alan antikorları bulmak için kullanabiliriz” diyor.
Tümörler tek tıbbi hedef değildir. Baker ve meslektaşları, Mayıs ayındaki bir ön baskıda, kobralar gibi yılanların zehirindeki toksinlere bağlanabilen ve bunların sinir reseptörlerine bağlanmasını önleyen tasarımcı proteinler bildirdiler. Farelere enjekte edildiğinde, proteinler toksinleri nötralize ederek hayvanları normalde ölümcül olan bir zehir dozundan korudu. Tasarlanan proteinler küçüktür ve bu da onları, soğutulmadıkları takdirde hızla parçalanan geleneksel büyük proteinlerden daha kararlı hale getirir. Araştırmacılar, bir yılan ısırığından hemen sonra kullanılmak üzere kalem benzeri bir enjektörün taşınmasını öngörüyorlar.
Tıbbi olmayan uygulamalar da ortaya çıkıyor. Örneğin 2018’de, şu anda Oregon Üniversitesi’nde olan Parisa Hosseinzadeh ve meslektaşları, toksik metallerin atomlarını yakalamaya yardımcı olarak gıda üretimini kirleticilere karşı koruyabilecek bir protein katalizörü tasarladıklarını bildirdiler. Hosseinzadeh’in grubu şu anda çevredeki plastikleri parçalamak için enzimler üzerinde çalışıyor. Ve geçen yıl, Weizmann Bilim Enstitüsü’nde protein tasarımcısı olan Sarel Fleishman ve meslektaşları, tarımsal atıkları biyoyakıtlara dönüştürmeye yardımcı olabilecek yeni enzimler yaparak doğayı iyileştirmeye çalıştılar. Mikropların bitki hücre duvarlarını parçalamak için kullandığı ksilanazlar adı verilen doğal enzimlerin en iyi bileşenlerini aradılar ve bunları karıştırıp eşleştirerek binlerce yeni ksilanaz ürettiler. Hosseinzadeh, “Enzimleri istediğimiz işleri yapmaları için uyarlamak amacıyla protein tasarımı kullanma yönünde daha fazla çaba göreceğiz” diyor.
Yapay zeka protein tasarımı çevreye başka şekillerde de fayda sağlayabilir. Baker’ın ekibi, karbondioksiti yakalayan enzimlerin verimliliğini artırmanın mümkün olduğunu gösterdi; bu, iklim değişikliğiyle mücadele için daha iyi baca temizleyicilerine yol açabilecek bir gelişme. Ayrıca, daha da güçlü bir sera gazı olan metanı yakalayacak enzimler tasarlayıp tasarlayamayacaklarını görmek için şimdi hazırlandıklarını söylüyor.
Daha da uzakta, Huang’ın grubu, kas kasılmasını sağlayan miyozin adlı bir proteini, vücudun normal kimyasal yakıtı olan ATP yerine ışıkla güçlendirilecek şekilde yeniden tasarlamayı düşünmeye başladı. Başarılı olursa, çaba sonunda ışıkla çalışan yapay kaslara yol açabilir.
“Bu aşamada daha çok bilim kurgu,” diyor Huang. En azından şimdilik. Ancak protein tasarımının ilerlediği oranda, belki de uzun sürmeyecek.
Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsin.