يستخدم الذكاء الاصطناعي في DeepMind لتطوير “حقنة” صغيرة لحقن العلاج الجيني والعقاقير القاتلة للورم
طور العلماء “حقنة” جزيئية يمكنها حقن البروتينات ، بما في ذلك الأدوية القاتلة للسرطان والعلاجات الجينية ، مباشرة في الخلايا البشرية.
وقام الباحثون بذلك باستخدام برنامج ذكاء اصطناعي (AI) من إنتاج شركة Google العقل العميق. برنامج الذكاء الاصطناعي ، المسمى AlphaFold ، تنبأ مسبقًا بهيكل تقريبا كل بروتين معروف للعلم.
قام الفريق بتعديل بروتين يشبه المحاقن موجود بشكل طبيعي في Photorhabdus asymbiotica، نوع من البكتيريا يصيب الحشرات في المقام الأول. الحقنة المعدلة التي تم وصفها يوم الأربعاء (29 مارس) في المجلة طبيعة (يفتح في علامة تبويب جديدة)، لم يتم اختباره بعد على البشر ، فقط في أطباق المختبر والفئران الحية.
لكن الخبراء يقولون ، في نهاية المطاف ، يمكن أن يكون للحقنة تطبيقات طبية.
“يوضح المؤلفون أنه يمكن ضبط هذا النهج لاستهداف خلايا معينة ولتوصيل شحنات بروتينية مخصصة (حمولات) ،” تشارلز إريكسون (يفتح في علامة تبويب جديدة) و مارتن بيلهوفر (يفتح في علامة تبويب جديدة)، الذي يدرس تفاعلات الخلايا البكتيرية في ETH Zürich في سويسرا ولم يشارك في البحث ، كتب في تقرير مصاحب تعليق (يفتح في علامة تبويب جديدة). وكتبوا: “تمثل مجمعات الحقن المعاد هندستها مجموعة أدوات تقنية حيوية مثيرة يمكن أن يكون لها تطبيقات في أنظمة بيولوجية مختلفة”.
متعلق ب: فاز علماء DeepMind بـ 3 ملايين دولار “جائزة الاختراق” للذكاء الاصطناعي التي تتنبأ بتركيب كل بروتين
P. asymbiotica تنمو البكتيريا بشكل طبيعي في الداخل (يفتح في علامة تبويب جديدة) تسمى الديدان الأسطوانية الديدان الخيطية وتستخدم الديدان كأحصنة طروادة لغزو يرقات الحشرات. وهي تعمل على النحو التالي: تغزو الديدان الخيطية جسم اليرقة وتتقيأ P. asymbiotica؛ تقتل البكتيريا خلايا الحشرة. والديدان الخيطية تتغذى على لحم اليرقة المحتضرة. وهكذا ، تتمتع الديدان الخيطية والبكتيريا بعلاقة تكافلية جميلة.
لقتل خلايا الحشرات ، P. asymbiotica يفرز محاقن صغيرة محملة بنابض ، والمعروفة علميًا باسم “أنظمة الحقن المقلص خارج الخلية” ، والتي تحمل البروتينات السامة داخل “إبرة” مجوفة مع ارتفاع في أحد طرفيها. تمتد “ذيول” صغيرة من قاعدة المحقنة – تخيل أداة الهبوط لمسبار فضائي – وترتبط هذه التيول بالبروتينات الموجودة على سطح خلايا الحشرات. بمجرد ربط المحقنة ، تطعن الإبرة من خلال غشاء الخلية لتحرير حمولتها.
في الدراسات السابقة ، عزل العلماء هذه الحقن من فوتورابدوس واكتشفت البكتيريا أيضًا أن بعضها يمكن أن يستهدف خلايا الفئران ، وليس خلايا الحشرات فقط. أثار هذا احتمال تعديل مثل هذه الحقن لاستخدامها في البشر.
لاختبار ما إذا كانت هذه الفكرة ممكنة ، قام الفريق أولاً بتحميل الأنبوب المجوف للحقنة ببروتينات من اختيارهم. بعد ذلك ، استخدموا AlphaFold لفهم كيفية شحذ الحقن على خلايا الحشرات بشكل أفضل ، بحيث يمكن تعديلها لاستهداف الخلايا البشرية بدلاً من ذلك. استخدموا نظام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بهيكل الجزء السفلي من جهاز هبوط الحقنة – الجزء الذي يتصل أولاً بسطح الخلية المستهدفة. ثم قاموا بتعديل هذا الهيكل بحيث يلتصق بالبروتينات السطحية الموجودة فقط في الخلايا البشرية.
بدون AlphaFold ، كان على الباحثين إجراء هذا التحليل باستخدام تقنيات الفحص المجهري المتقدمة وعلم البلورات ، مما يعني دراسات مفصلة عن التركيب الذري لمعدات الهبوط ، جوزيف كريتز (يفتح في علامة تبويب جديدة)، طالب دكتوراه في معهد ماكجفرن لأبحاث الدماغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الأول للدراسة ، قال لـ Live Science في رسالة بريد إلكتروني.
وقال كريتز “كان من الممكن أن يستغرق هذا عدة أشهر”. “باستخدام AlphaFold ، تمكنا من الحصول على الهياكل المتوقعة لتصميمات ألياف الذيل المرشحة في الوقت الفعلي تقريبًا ، مما أدى إلى تسريع جهودنا بشكل كبير لإعادة برمجة هذا البروتين.”
ثم استخدم الباحثون محاقنهم المعدلة لتعديل جينومات الخلايا في أطباق المختبر. على وجه التحديد ، قاموا بتسليم مكونات أداة قوية لتحرير الجينات CRISPR-Cas9 إلى خلايا لقطع ولصق أجزاء من الحمض النووي في جينوماتها. استخدم الفريق أيضًا المحاقن لإدخال مقص صغير لقص الحمض النووي يسمى نزع الأمين بإصبع الزنك في الخلايا.
كما استخدموا النظام لإيصال البروتينات السامة إلى الخلايا السرطانية في أطباق المختبر. وأخيرًا ، قاموا بحقن المحاقن في فئران حية ووجدوا أن حمولتها لا يمكن اكتشافها إلا في المناطق المستهدفة ولا تسبب تفاعلًا مناعيًا ضارًا. في هذه التجربة الأخيرة ، استخدم الفريق AlphaFold لتصميم الحقن الخاصة بهم لاستهداف خلايا الفئران على وجه التحديد.
توضح هذه التجارب أن المحاقن يمكن أن تكون بمثابة “أجهزة توصيل بروتين قابلة للبرمجة مع تطبيقات محتملة في العلاج الجيني، وعلاج السرطان والتحكم البيولوجي. “على عكس العلاجات التي تقدم تعليمات جينية ، مثل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، إلى الخلايا ، يمكن أن توفر هذه الحقن الحاملة للبروتين” تحكمًا أفضل في الجرعة ونصف العمر للعلاج داخل الخلايا ، “كريتز وكبير مؤلفي الدراسة فنغ تشانغ (يفتح في علامة تبويب جديدة) أخبر Live Science في رسالة بريد إلكتروني.
ذلك لأن التعليمات الجينية تحث الخلايا على بناء بروتينات لأنفسها ، في حين أن الحقن تأتي بجرعة محددة مسبقًا من البروتين. وقالوا إن هذه الجرعات الدقيقة ستكون مفيدة للعلاجات التي تتضمن عوامل النسخ ، والتي تعدل من نشاط الجينات للخلية ، والعلاج الكيميائي ، الذي له تأثيرات سامة بجرعات عالية.
كتب إريكسون وبيلهوفر أنه يمكن أيضًا برمجة الحقن الصغيرة لمحاربة البكتيريا المسببة للأمراض في الجسم. وفي المستقبل ، قد يكون من الممكن للعلماء توصيل محاقن متعددة لتشكيل مجمعات متعددة الماسورة. واقترحوا أن “هذه قد تسمح بتسليم المزيد من البضائع لكل خلية مستهدفة من خلال نظام حقن واحد”.
“ومع ذلك ، نلاحظ أن هذا النظام لا يزال في مراحله الأولى ؛ وستكون هناك حاجة إلى مزيد من الجهود لتوصيف سلوك هذا النظام في الجسم الحي قبل أن يتم تطبيقه في البيئات السريرية أو التجارية ، “قال كريتز وزانج لـ Live Science. يدرس الفريق الآن مدى انتشار المحاقن عبر الأنسجة والأعضاء المختلفة ، ويستمر في فحص كيفية تفاعل الجهاز المناعي مع نظام توصيل البروتين الجديد. .
