ثورة في تصميم الإنزيمات باستخدام الفيزياء والذكاء الاصطناعي: قفزة نحو محفزات حيوية فعالة

تم تحقيق تقدم ثوري في تصميم الإنزيمات الحاسوبي باستخدام خوارزميات قائمة على الفيزياء بالتزامن مع الذكاء الاصطناعي. تمكن العلماء من إنشاء إنزيمات اصطناعية قادرة على تحفيز تفاعلات كيميائية غير طبيعية بمستوى غير مسبوق من كفاءة الإنزيم، مما يلغي الحاجة إلى التنقية المخبرية المكثفة.

في الدراسة المنشورة حديثًا، استفاد الباحثون من أدوات النمذجة الجزيئية لمحاكاة بنية البروتينات على المستوى الذري، مما مكّن من تصميم إنزيمات محفزة حيوية مخصصة. أدت هذه البروتينات المهندسة تفاعل كيمب وهو تحفيز حمضي عام غير معروف حدوثه في الطبيعة، مما يوضح كيف يمكن للذكاء الاصطناعي والفيزياء إطلاق وظائف جديدة في التحفيز الإنزيمي.

”إن إنشاء إنزيم فعال حسابيًا يعد تحديًا كبيرًا للغاية،“ قالت سيلفيا أوسونا، وهي خبيرة رائدة في الكيمياء الحاسوبية وتصميم الإنزيمات.

من الأجزاء الطبيعية إلى الدقة الاصطناعية

بدأ الفريق بتجميع أجزاء هيكلية من الإنزيمات الطبيعية وإعادة دمجها في تركيبات هيكلية جديدة. من خلال النمذجة الجزيئية المتقدمة والمحاكاة المدفوعة بالفيزياء، حددوا الهياكل المثلى التي شكلت أساس النشاط التحفيزي الجديد.

ومع ذلك، جاء الابتكار الحقيقي في إعادة تصميم الموقع النشط. من خلال تحدي التفكير التقليدي واستبدال الحمض الأميني ذو الشكل الحلقي المهم تقليديًا بآخر خطي، شهد الباحثون قفزة هائلة في كفاءة الإنزيم—أعلى بمائة مرة من الإنزيمات المصممة بالذكاء الاصطناعي السابقة.

الجمع بين الذكاء الاصطناعي والفيزياء في هندسة البروتين

في حين أظهر الذكاء الاصطناعي في التكنولوجيا الحيوية إمكانات واعدة في استنساخ الأنماط الموجودة، تسلط هذه الدراسة الضوء على قيوده في التعامل مع المبادئ الفيزيائية الأعمق لسلوك البروتين المعقد. يقدم دمج الفيزياء الكمية والذكاء الاصطناعي مسارًا واعدًا للمضي قدمًا، مع موازنة الرؤى المستندة إلى البيانات مع الفهم العلمي الأساسي.

”لدفع هندسة الإنزيمات إلى الأمام حقًا، يجب علينا الجمع بين القوة التنبؤية للذكاء الاصطناعي مع العمق الآلي للنمذجة المستندة إلى الفيزياء،“ يقول فلايشمان، وهو رائد في أبحاث تصميم البروتين.
مع اختبار الباحثين الآن لهذه الطريقة الهجينة على أنظمة معقدة مثل روبيسكو، الضرورية للتمثيل الضوئي، تستمر إمكانات التحفيز المعزز بالذكاء الاصطناعي في التوسع ليس فقط للكيمياء الصناعية ولكن أيضًا للطب والطاقة الخضراء وما بعدها.