Группе учёных удалось создать особые искусственные ферменты – природные катализаторы, без которых невозможна жизнь на Земле. Их еще называют энзимами. Представляют они собой сложные белковые структуры, которые ускоряют химические реакции в живых организмах и участвуют во всех процессах: от переваривания пищи до синтеза ДНК. Каждый природный катализатор отвечает за строго определённую реакцию благодаря уникальной трёхмерной организации. До сих пор исследователям не удавалось создать искусственные аналоги, способные проводить сложные многоступенчатые реакции, где каждый следующий этап зависит от успешного завершения предыдущего.
Здесь важно разобраться, как вообще работают природные катализаторы. Представьте фермент как наномашину с рабочей зоной – активным центром. В этом центре расположены химически активные группы атомов, которые выстроены в строго определённом порядке. Когда молекула нужного вещества попадает в активный центр, она точно совпадает с имеющимися там выступами и впадинами, как ключ с замком.
В момент присоединения вещества вся структура фермента приходит в движение. Белковая молекула изгибается особым образом, в результате чего активные группы атомов оказываются именно в тех положениях, которые необходимы для разрыва или создания химических связей в присоединённом веществе.
В случае многоступенчатых реакций процесс усложняется. После первого химического превращения получается промежуточный продукт с новой структурой. Фермент тут же перестраивается: его активный центр принимает другую форму, чтобы правильно расположить образовавшееся вещество для следующей химической операции. Такие изменения происходят на каждом этапе. Это похоже на конвейер, где деталь последовательно проходит через разные станки, каждый из которых выполняет свою задачу. Только в случае с ферментом все эти “станки” представляют собой разные конфигурации одной и той же белковой молекулы.
Исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле сосредоточились на создании катализатора для серинового гидролиза – химической реакции, проходящей в четыре этапа. В живых организмах этот процесс осуществляют сериновые гидролазы – энзимы, участвующие в пищеварении, метаболизме жиров и свёртывании крови. Природные катализаторы расщепляют сложноэфирные связи, что открывает перспективы для разложения некоторых видов пластика.
Раньше специалисты пытались получать новые ферменты, внося изменения в существующие природные образцы. Однако подобный подход серьёзно ограничивал возможности создания эффективных катализаторов для многоступенчатых реакций. Анна Лауко, специалист по проектированию белков, сравнивает этот метод с попыткой подогнать готовый костюм под нового хозяина: как бы тщательно его ни переделывали, идеальной посадки добиться невозможно.
Поэтому команда разработала принципиально новый подход с использованием искусственного интеллекта. На первом этапе учёные применили созданную ранее программу RFdiffusion, которая генерирует белковые структуры с нуля. Инструмент анализирует огромные массивы данных о строении природных белков и на их основе создаёт новые конструкции с заданными свойствами.
Но для создания энзима, способного проводить многоступенчатую реакцию, одного RFdiffusion оказалось недостаточно. Поэтому была создана дополнительная нейронная сеть PLACER, действующая как архитектор на молекулярном уровне. Программа детально моделирует расположение каждого атома в структуре фермента и веществ, с которыми происходит взаимодействие на всех этапах реакции. ИИ проверяет способность активных центров правильно связывать и преобразовывать вещества на каждой стадии процесса.
Объединение двух инструментов искусственного интеллекта позволило создать катализаторы с беспрецедентной эффективностью. Новые энзимы ускоряют реакцию в 60 000 раз сильнее по сравнению с предыдущими искусственными аналогами. Результат особенно впечатляет, учитывая, что прежние разработки не справлялись даже с первым этапом реакции.
И ключ к успеху, вероятно, в том, что команда позволила искусственному интеллекту самостоятельно найти оптимальное решение. Вместо попыток предугадать все необходимые параметры, учёные задали конечную цель и предоставили алгоритмам возможность перебрать миллионы вариантов структуры. Система взяла во внимание множество факторов: от пространственного расположения атомов до возможности синтезировать белок в лабораторных условиях.
По мнению Ноэлии Феррус из Центра геномного регулирования в Барселоне, разработанный метод открывает путь к созданию принципиально новых катализаторов. В перспективе учёные смогут проектировать ферменты для химических реакций, которые не существуют в природе. Технология найдёт применение в фармацевтике для синтеза новых лекарств, в химической промышленности для разработки экологичных методов производства, в энергетике для создания эффективного биотоплива.
Особенно перспективным направлением станет создание энзимов, которые помогут утилизировать разные типы пластика. Сейчас, чтобы разложить полимеры, нужно провести целую цепочку химических реакций. С помощью новой технологии учёные смогут создать специальные соединения, которые справятся со всеми этапами самостоятельно.
Новый метод также поможет раскрыть фундаментальные принципы работы природных ферментов. Создавая искусственные аналоги и анализируя процессы их взаимодействия с веществами, мы сможем точно определить, какие структурные элементы и конформационные изменения белковой молекулы играют ключевую роль в катализе. Полученные знания будут ценны не только для фундаментальной науки, но и для медицины, ведь нарушения ферментативной активности лежат в основе многих серьёзных заболеваний.