Ученые нашли способ ускорить эволюцию внутри клеток человека

Направленная эволюция, вдохновленная возможностями генеративного искусственного интеллекта, представляет собой биологический процесс, схожий с машинным обучением. Она позволяет автоматически улучшать белки и антитела, адаптируя их к конкретным задачам. Одной из передовых разработок в этой области стала система PROTEUS (Protein Evolution Using Selection), созданная командой ученых из Сиднейского университета. В отличие от традиционного подхода, когда направленная эволюция проводится в бактериальных клетках, исследователи стремились разработать платформу, способную эволюционировать молекулы прямо в клетках млекопитающих.

PROTEUS способен анализировать миллионы возможных генетических вариантов в поисках наилучших решений, что позволяет ускорить процесс эволюции, на который в природе могли бы уйти годы или десятилетия. Эта технология потенциально открывает путь к подавлению генетических заболеваний, а также может применяться в работе с нанотелами – крошечными фрагментами антител, используемыми, в том числе, для диагностики. Такие нанотела способны выявлять повреждения ДНК, связанные с онкологическими процессами, а раннее обнаружение рака значительно повышает шансы на успешное лечение.

Команда стремилась устранить сбои, возникающие при программировании генов в клетках млекопитающих. В отличие от простых бактерий и архей, ранее использовавшихся в экспериментах по направленной эволюции, клетки млекопитающих гораздо сложнее. Они обладают более развитой системой сигнальных путей, сложными взаимодействиями между белками и проходят дополнительные химические модификации после синтеза белков.

Основная трудность эволюции белков напрямую в клетках млекопитающих заключается в том, что их геномы подвержены мутациям на каждом этапе эволюционного отбора. Команда нашла решение в использовании вирусного генома в качестве среды для эволюции: благодаря этому на каждом этапе можно было использовать новые, неизменённые клетки, минимизируя влияние накопленных мутаций. Ученые объединили внешнюю оболочку одного вируса с геномом другого, создав химерную конструкцию, в которую внедрил целевой белок. Такой подход позволил избежать сбоев в системе. В результате клетки начали производить множество вариантов белков одновременно. При этом наблюдался процесс, напоминающий естественный отбор: менее эффективные белковые варианты постепенно исчезали, а более удачные продолжали развиваться и становились доминирующими.