Až donedávna se zdálo, že představa senzoru schopného pracovat uvnitř živé buňky je spíše záležitostí science fiction než laboratoře. Již tomu tak ale není.
Mezinárodní skupina vědců pod vedením Kirilla Alexandrova z Queenslandské technologické univerzity však tuto představu právě proměnila ve skutečnost: pomocí umělé inteligence navrhli umělé proteiny, které fungují jako drobné molekulární spínače schopné detekovat specifické látky a vyvolat měřitelnou odezvu.
Svět nasycený senzory… které se nedívají dovnitř
Žijeme obklopeni senzory. Odhaduje se, že na celém světě je 40 miliard senzorů. Průměrný mobilní telefon jich obsahuje asi 20 – akcelerometr, gyroskop, světelný senzor, GPS a mnoho dalších – zatímco moderní automobil jich může obsahovat až 70. Všechna tato zařízení dohromady vyprodukují každý den více než 402 milionů terabytů dat, což odpovídá objemu více než půl bilionu CD. Přesto mají všechny tyto přístroje společný nedostatek: pracují mimo lidské tělo, daleko od míst, kde probíhají skutečně zásadní biologické procesy.
Proteiny jako programovatelné nástroje
Proteiny jsou základem mechanismů každé buňky: detekují signály, spouštějí reakce a přeměňují látky. Prakticky vše, co se v živém organismu děje, na nich tak či onak závisí. Právě proto syntetická biologie – obor, jehož cílem je navrhovat biologické komponenty na míru – již léta sleduje ambiciózní cíl: vytvořit proteiny, které dokáží identifikovat specifické signály a řízeně na ně reagovat.
Hlavní překážkou bylo, že vědci mohli vycházet pouze z proteinů, které již v přírodě existovaly, a mírně je upravit. Bylo to jako snažit se vyrobit nový klíč pomocí starých forem: podařilo se dosáhnout úprav, ale nikdy však nešlo o skutečně originální design. Umělá inteligence tuto bariéru prolomila.
Umělá inteligence ve službách biologie
Alexandrov a jeho tým použili modely strojového učení, aby od základu vytvořili proteiny, které rozpoznávají širokou škálu cílových molekul, od malých chemických sloučenin až po jiné proteiny. Když najdou svůj cíl, tyto biosenzory změní své chování a tato aktivace se promítne do signálů, které lze měřit: změna barvy, vyzařování světla nebo dokonce elektrický impuls. Zkrátka molekula, která funguje jako programovatelný spínač.
Výsledky publikované v časopise Nature Biotechnology ukazují, že tyto proteinové senzory fungují jak uvnitř živých buněk – například bakterií -, tak i integrované do elektronických systémů. V jednom z nejpozoruhodnějších experimentů výzkumníci připojili proteiny k elektrodám a vytvořili elektrické signály pomocí mechanismu analogického tomu, který se používá v glukometrech.
Objev, který přepisuje pravidla molekulárního designu
Možná nejdůležitějším zjištěním není to, co tyto senzory dělají, ale princip, který za nimi stojí. Po desetiletí vědecká komunita předpokládala, že protein senzoru musí projít drastickou změnou tvaru, aby se stal aktivním, podobně jako se musí otočit klíč v zámku. Tato práce ukazuje něco jiného: k aktivaci proteinu stačí jemná změna jeho vnitřní dynamiky, malá úprava pohybu jeho částí.
Alexandrov vysvětluje: „Mělo se za to, že senzorové proteiny musí projít velkými tvarovými změnami, aby fungovaly jako spínače. My jsme zjistili, že tyto umělé receptory nepotřebují drastickou strukturální reorganizaci. Místo toho vazba cílové molekuly jemně změní pohyb proteinu, což stačí k aktivaci jeho funkce. To nám dává nový pohled na to, jak funguje přirozená regulace proteinů, a poskytuje novou účinnou strategii pro návrh užitečných biosenzorů.„
Měření zevnitř: změna paradigmatu
Tento objev, který na první pohled vypadá jako technický detail, radikálně mění možnosti oboru, protože výrazně zjednodušuje proces návrhu a umožňuje vytvářet senzory prakticky à la carte. Potenciální aplikace jsou stejně rozmanité jako snadno představitelné: nositelná zařízení, která diagnostikují nemoci pomocí jediné kapky krve, systémy monitorující znečišťující látky v reálném čase nebo buňky naprogramované tak, aby reagovaly na specifické chemické signály aktivací nebo utlumením biologických procesů. Nejzásadnější změna je však koncepční. Dosud měření vždy znamenalo pozorování zvenčí. Tento průlom otevírá nebývalé dveře: možnost měření zevnitř.