Как использование белка, заставляющего медуз светиться зеленым, в качестве модели может помочь ученым оптимизировать биологические исследования.
Плодовые мушки, мыши, рыбки данио, дрожжи и крошечный червь C. elegans — это модельные организмы, которые положили начало современной биологии.
Ученые выбрали их не за их обаяние. Их выбрали потому, что их сходство проливает свет на биологические принципы, характерные для многих видов. Их биология достаточно проста, чтобы исследователи могли ее освоить, и в то же время достаточно глубока, чтобы продолжать открывать новые открытия спустя столетия.
Однако у биологов нет единой точки отсчета для обширной области науки: белков, основных действующих веществ в клетке. Белки катализируют химические реакции, придают клеткам структуру и помогают им взаимодействовать друг с другом. Большинство организмов используют десятки тысяч типов белков, и каждый из них может мутировать, модифицироваться и измеряться различными способами и в бесчисленных средах. Благодаря, в частности, искусственному интеллекту, исследователи также создают новые белки быстрее, чем могут их изучать.
Без общей точки отсчета результаты исследований трудно сравнивать. Две лаборатории могут изучать один и тот же белок в разных экспериментальных условиях и в итоге получить результаты, которые не совпадают. В результате научная литература полна разрозненных результатов, которые иногда дублируются и которые трудно обобщить.
«Как специалист по вычислительной химии, изучающий флуоресцентные белки, я утверждаю, что лабораториям также необходим набор модельных белков. Подобно тому, как плодовые мушки и мыши служат ориентиром для целых научных областей, модельные белки могут помочь исследователям опираться на результаты друг друга и лучше понимать основы биологии», пишет исследователь Марк Циммер в статье, опубликованной The Conversation.
Зеленый флуоресцентный белок как модель
Если в качестве эталонов следует использовать модельные белки, то лучше всего начать с белков, которые исследователи уже используют, когда им нужен надежный стандарт. Зеленый флуоресцентный белок находится на первом месте в этом списке.
Зеленый флуоресцентный белок, впервые выделенный из медузы, ярко светится зеленым цветом под воздействием синего света. Биологи соединяют зеленый флуоресцентный белок с другими белками, чтобы отслеживать, куда эти белки перемещаются и когда они образуются.
Зеленый флуоресцентный белок уже фактически стал эталоном в этой области, его используют в качестве тренировочного белка в экспериментах перед достижением более масштабных целей. В начале 2000-х годов исследователи использовали этот белок и его желтую версию в клонированных свиньях, чтобы показать, что чужеродные гены можно надежно добавлять в крупных млекопитающих. Зеленый флуоресцентный белок наглядно продемонстрировал успешное внедрение нового гена, поскольку исследователи могли буквально видеть, что клетки свиней производят белок, кодируемый флуоресцентными генами.
Долгосрочная цель этих экспериментов заключалась в том, чтобы с помощью генной инженерии создать у свиней специфические человеческие белки, которые помогают иммунной системе принять свиной орган, а не отторгнуть его. Зеленый флуоресцентный белок помог показать, что базовая генная инженерия этой идеи может работать, что в конечном итоге привело к первым трансплантациям почек от свиньи человеку.
Использование зеленого флуоресцентного белка в большинстве исследований не является конечной точкой, а лишь этапом подтверждения. Это позволяет исследователям сказать: да, новый ген существует, клетка производит белок, белок работает и, вероятно, будет работать и с другими белками.
Когда исследователи ищут новые белки для использования в качестве ферментов, лекарственных средств или материалов, модели белкового языка и другие методы генеративного искусственного интеллекта могут предложить огромное количество правдоподобных последовательностей белков для тестирования. Хотя некоторые белки, разработанные с помощью ИИ, работают в лаборатории и могут помочь сократить количество проб и ошибок, многие белки-кандидаты оказываются неэффективными.
Флуоресцентные белки могут служить полезным стресс-тестом для моделей «белкового языка». Самая сложная часть использования ИИ для генерации белков — это доказательство того, что предложенные им последовательности могут превратиться в правильно свернутый, функционирующий белок.
Зеленый флуоресцентный белок делает это доказательство простым, поскольку флуоресценция позволяет быстро увидеть, что белок правильно свернулся. Можно предсказать яркость, стабильность или цвет флуоресцентных белков, а затем напрямую проверить, соответствует ли сгенерированный ИИ белок этим параметрам. Подобно исследованию на мышах, которое намекает на потенциальную эффективность лекарства для человека, зеленый флуоресцентный белок не гарантирует успеха модели ИИ для каждого белка, но это быстрый и широко признанный признак того, что процесс проектирования работает правильно.
«Назвать зеленый флуоресцентный белок модельным белком также улучшило бы преподавание биологии. Как и классические модельные организмы, зеленый флуоресцентный белок безопасен и нагляден. Он также неприхотлив, поскольку дает четкий флуоресцентный сигнал даже при неидеальных экспериментальных схемах, разработанных студентами. Эти свойства делают его образовательным инструментом, открывающим доступ к таким идеям, как экспрессия генов, сворачивание белков и биоинженерия. Он способен превратить абстрактную концепцию в нечто, что можно увидеть в пробирке или под микроскопом. Использование модельных организмов работает потому, что научные сообщества договорились строить свою работу вокруг общих ориентиров. Я считаю, что наука о белках сейчас достаточно обширна, чтобы нуждаться в том же самом, и присвоение зеленому флуоресцентному белку статуса модельного белка могло бы упростить установление связей между открытиями, обучение студентов и оценку новых инструментов. Иными словами, это сияние по-прежнему может направлять ученых — не просто ослепляя, но и способствуя общему прогрессу в этой области», подчеркнул Марк Циммер.
Источник: The Conversation. Автор: Марк Циммер.