可以合成聚合物代替自然的蛋白质吗?

大多数地球上的生命是基于聚合物的20种氨基酸演变成成千上万的不同,高度专业化的蛋白质。它们催化的反应,形成骨干和肌肉,甚至产生运动。

但所有品种,有必要吗?生物学的工作可以用更少的积木和简单的聚合物?

徐婷,加州大学伯克利分校高分子科学家,这么认为。她开发了一种方法来模拟自然蛋白质特定功能的使用只有两个,四个或六个不同的积木-当前使用的塑料,发现这些替代聚合物工作以及真正的蛋白质更容易比试图复制大自然的设计合成。

作为一个概念证明,她用她的设计方法、基于机器学习和人工智能,合成聚合物,模拟血浆。人工生物流体保持天然蛋白质生物标记完整不制冷,甚至让自然蛋白质更耐高温——一个比真正的血浆。

蛋白质替代品,或者随机杂聚合物(右投手),可以改变生物医学应用,因为今天很多努力投入调整自然蛋白质做事情他们没有最初设计,或者试图再现天然蛋白质的三维结构。药物输送模拟自然的人类蛋白质的小分子是一个热门的研究领域。

相反,AI可以选择正确的数量,类型和安排的塑料积木——类似于那些用于补牙材料,例如,模拟所需的一种蛋白质的功能,和简单的高分子化学可以用来制造它。

在血浆中,例如,人造聚合物是为了溶解和稳定血液中的天然蛋白质生物标记物。徐和她的团队还创建了一个混合的合成聚合物代替细胞的勇气,所谓的胞质。在试管中充满了人工生物液体,细胞的纳米机器,核糖体,继续抽出自然蛋白质如果他们不在乎液是否自然或人工。

“基本上,所有的数据显示,我们可以使用这个设计框架,这种哲学,点生成聚合物,生物系统将无法识别如果是聚合物或如果它是一种蛋白质,”徐说,加州大学伯克利分校的教授化学和材料科学与工程。“我们基本上傻瓜生物学。整个想法是,如果你真的设计,注入你的塑料作为生态系统的一部分,他们应该像一种蛋白质。如果其他蛋白质,“好吧,你是我们的一部分,”然后没关系。”

设计框架还开门设计混合生物系统,在塑料聚合物与天然蛋白质顺利,提高系统交互,如光合作用。和聚合物可以自然降解,使系统可回收和可持续的。

“你开始思考一个全新未来的塑料,而所有这些商品的东西,”徐说,他也是一个教师在劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。

她和她的同事们发表了他们的结果在3月8日出版的《华尔街日报》自然。

一个快乐的生物和非生物的聚合物

徐认为活组织是一个复杂的混合蛋白质进化到一起工作灵活,用更少的关注实际的氨基酸序列的蛋白质比蛋白质的功能单元,这些蛋白质相互作用的地方。就像在一个锁钥机制,它没有多大关系关键是铝或钢,所以实际功能单元构成比他们所做的事情更重要。

因为这些天然蛋白质混合物随机经过数百万年的进化,它应该可以创建类似的随机混合物,不同字母的构建块,如果你使用正确的原则来设计和选择,减轻科学家需要创建相同的蛋白质混合物在活组织。

“自然不会做很多自下而上,分子、precision-driven设计在实验室里像我们一样,”徐说。“自然需要灵活性为了得到它在哪里。自然没有说,让我们研究这个病毒的结构,使抗原攻击它。它要表达的抗原库和从那里挑选作品。”

随机性可用于设计合成聚合物与天然蛋白质混合好,比今天的目标更容易创造生物相容性的塑料技术,徐说。

处理应用统计学家海盐黄,加州大学伯克利分校的教授,研究人员开发了深度学习方法与天然蛋白质属性用塑料聚合物性质为了设计一个人工聚合物功能类似,但不相同,天然蛋白质。例如,在试图设计一个稳定的液体特定的天然蛋白质,最重要的流体的属性是电荷的聚合物单元,这些单元是否喜欢与水—也就是说,无论他们是亲水或疏水。合成聚合物是为了匹配这些属性,但不是其他特征的自然富含蛋白质的液体。

黄和研究生李哈基训练深度学习的技术——经典的混合人工智能(AI),黄是指修改变分autoencoder (VAE)——在一个大约60000个天然蛋白质的数据库。这些蛋白质被分解成50-amino酸片段,和段属性相比人工只有四个构件组成的聚合物。

与反馈的实验研究生志远阮在徐的实验室,团队能够在化学合成一组随机的聚合物,右投手,模仿天然蛋白质的电荷和疏水性。

“我们观察序列空间,自然已经设计,我们分析它,我们已经使聚合物匹配什么自然进化,他们工作,”徐说。“你跟着蛋白质序列决定了聚合物的性能。从建立系统中提取信息,如天然蛋白质,是最简单的捷径使我们能够梳理出合适的标准创造生物聚合物兼容。”

卡洛斯·布斯塔曼特评论的同事在实验室,加州大学伯克利分校教授的分子和细胞生物学、化学和物理学、单分子光学镊子进行研究和清楚地表明,右投手可以模拟蛋白质是如何表现的。

徐、黄和他们的同事们现在正试图模仿其他蛋白质特征复制在塑料天然氨基酸聚合物的许多其他功能。

“现在,我们的目标就是稳定蛋白质和模仿最基本的蛋白质功能,”黄说。“但更精致的右投手系统的设计,我认为这是自然为我们探索提高其他功能。我们试图研究序列成分可以丰富有关可能的蛋白质功能或行为的右投手。”

混合动力系统的设计平台开门天然和合成聚合物,但也表明方法更容易使生物相容性材料,从人工泪液或软骨涂料,可以用来提供药物。

“如果你想要发展生物材料与你的身体,做组织工程或药,或者你想做支架涂层,必须与生物系统兼容,”徐说。本文告诉你的是:这是设计规则。这就是你应该生物液体的界面。”

她的最终目标是完全重新考虑目前生物材料设计,因为当前的方法——主要集中在模仿天然蛋白质的氨基酸结构——不工作。

“美国食品和药物管理局还没有批准任何新的材料聚合物生物材料几十年来,我认为原因是大量的合成聚合物并不是真正的工作——我们所追求的是错误的方向,”她说。“我们不是让生物学告诉我们应该如何设计材料。我们正在考虑个人途径,个人因素,而不是看它的整体。生物学是很复杂的,但它是很随机的。你必须说同样的语言在处理材料。这就是我想分享与材料社区。”

参考:李阮Z,年代,Grigoropoulos,等。基于杂聚合物设计模仿蛋白质混合物。自然。2023,615 (7951):251 - 258。doi:10.1038 / s41586 - 022 - 05675 - 0

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