توسعه آنزیمی جدید با کمک هوش مصنوعی که می‌تواند پلاستیک‌ را هضم کند

آنزیم‌ها کاتالیزورهای شگفت‌انگیزی هستند. این پروتئین‌ها طیف وسیعی از واکنش‌های شیمیایی را ممکن می‌کنند. اکنون محققان توانستند آنزیم جدیدی با هوش مصنوعی طراحی کنند که یکی از کاربردهای بالقوه آن تجزیه برخی پلاستیک‌هاست.

به گزارش دیجیاتو به نقل از وب‌سایت Nature، محققان دانشگاه واشینگتن موفق شدند آنزیم کاملاً جدیدی با ابزار هوش مصنوعی به نام RFDiffusion طراحی کنند که یکی از کاربردهای آن هضم پلاستیک است. «هویمین ژائو» (Huimin Zhao)، محقق زیست‌شناسی مصنوعی، درباره این دستاورد می‌گوید: «این نقطه عطفی در مهندسی آنزیم محسوب می‌شود. اکنون می‌توان آنزیم‌هایی با فعالیت مشابه آنزیم‌های طبیعی طراحی کرد تا برای ما مفید باشند.»

تولید آنزیم جدید با هوش مصنوعی برای تجزیه پلاستیک

اگرچه آنزیم‌ها کاتالیزورهای فوق‌العاده‌ای هستند، معمولاً آنزیمی که واکنش‌های موردنیاز ما را انجام بدهد، (مانند هضم پلاستیک یا ترکیب دی‌اکسیدکربن در مولکول‌های پیچیده‌تر) در طبیعت وجود ندارد. البته با ظهور سازوکارهای طراحی پروتئین با هوش مصنوعی، اکنون می‌توانیم آنزیم‌هایی طراحی کنیم که شبیه نمونه‌های موجود در طبیعت نیستند.

واکنشی که محققان روی آن کار کردند، تجزیه پیوند استری (Ester Bond) نامیده می‌شود. پیوندهای استری از اتصال 2 زنجیره اتم کربن با یک اتم اکسیژن تشکیل می‌شوند که یکی از کربن‌های کناری به اکسیژن دوم متصل می‌شود. این پیوندها را می‌توان با افزودن مولکول آب از هم جدا کرد که باعث می‌شود زنجیره کربن به گروه الکل و زنجیره دوم به یک اسید آلی متصل شود:

پیوندهای استری در بیومولکول‌های مختلفی وجود دارند و آنزیم‌های زیادی نیز هستند که می‌توانند این پیوندها را تغییر دهند. همچنین این پیوندها در تعدادی از پلیمرهای پلاستیکی (پلی استر) وجود دارند؛ بنابراین تجزیه پیوند استری می‌تواند کاربردهای مختلف زیست‌محیطی داشته باشد بااینکه تنظیم این واکنش شیمیایی روی کاغذ ساده به نظر می‌رسد، در واقعیت انجام آن بسیار پیچیده است؛ برای مثال در برخی واکنش‌هایی که استر را به 2 قسمت می‌شکند، یکی از قسمت‌ها از نظر شیمیایی به یک اسید آمینه در خود آنزیم متصل می‌شود. یکی از واکنش‌های دیگر دوباره باید این پیوند را بشکند وگرنه آنزیم غیرفعال می‌شود.

به‌طور‌کلی، شکستن ساده پیوند شیمیایی حداقل 4 مرحله مجزا دارد و به چندین اسید آمینه نیاز دارد تا با دقت اتمی در موقعیتی قرار بگیرد که آنزیم فعال است. اینجاست که هوش مصنوعی به کمک ما می‌آید.

محققان از ابزار هوش مصنوعی RFdiffusion برای تولید ساختارهای آنزیمی جدید استفاده کردند. آنها همچنین شبکه عصبی عمیقی به نام PLACER ایجاد کردند تا با مدل‌سازی مکان اتم‌ها در آنزیم و مولکول‌هایی که طی هر مرحله از واکنش به آنها متصل می‌شود، طراحی خود را اصلاح کند. این هوش مصنوعی در واقع مانند فیلتر بررسی می‌کند که موقعیت‌های فعال آنزیم (قسمت‌هایی که با مولکول‌ها برهم‌کنش دارند) با انجام هر مرحله از واکنش سازگار است یا خیر.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Science منتشر شده است.

دیدنی های امروز؛ از اعتراضات اروپا تا جنگ اوکراین

تماشاخانه

یوسف مجید‌زاده ؛ کاشف «خط شرق» و «حلقه گمشده تمدن بشریت» در ایران

پل ورسک ؛ یکی از عجیب‌ترین پل‌های جهان و شاهکار مهندسی ۹۰ ساله / آنچه درباره‌اش نمی‌دانید

فیلم های دیگر