استفاده از یادگیری ماشینی برای تولید پروتئین مصنوعی

پروتئین‌ها اساس و بنیاد زندگی هستند که وظایف پیچیده‌ای را به عهده دارند. دانشمندان از دیرباز به دنبال استفاده از پتانسیل پروتئین‌های مصنوعی برای انجام کارهای پیچیده نظیر درمان بیماری، گیراندازی کربن یا تولید انرژی بوده‌اند اما طراحی پروتئین‌ها کاری بسیار پیچیده و آهسته بوده که نرخ شکست در آن بسیار بالا است.

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه شیکاگو موفق به توسعه هوش مصنوعی شده که با استفاده از داده‌های بزرگ اقدام به طراحی پروتئین‌های جدید می‌کند.

با توسعه مدل‌های یادگیری ماشین، می‌توان اطلاعات مربوط به پروتئین‌ها را از روی بانک‌های اطلاعاتی ژنومی مرور کرد. این گروه تحقیقاتی نشان دادند که با این روش می‌توان پروتئین‌های مصنوعی را طراحی کرد.

زمانی که این گروه این پروتئین‌های مصنوعی را در آزمایشگاه ساختند، دریافتند که آنها در فرآیندهای شیمیایی شرکت می‌کنند و قابل رقابت با نمونه‌های طبیعی هستند.

راما رانگاناتان، از محققان این پروژه می‌گوید: « همه ما تعجب کردیم که چگونه یک فرآیند ساده مانند فرگشت می‌تواند منجر به چنین عملکرد بالایی در پروتئین‌ها شود. ما دریافتیم که داده‌های ژنوم حاوی مقادیر عظیمی از اطلاعات در مورد قوانین بنیادی ساختار و عملکرد پروتئین‌ها است و اکنون ما توانسته‌ایم قوانین طبیعت را کنار هم قرار داده و برای خودمات پروتئین بسازیم.»

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان An evolution-based model for designing chorismate mutase enzymes در نشریه ساینس  به چاپ رسیده است.

آنچه که این گروه تحقیقاتی متوجه شدند این است که بانک‌های اطلاعاتی ژنوم به صورت تصاعدی در حال رشد هستند و این بانک‌ها حاوی مقادیر عظیمی از اطلاعات درباره قوانین اساسی ساختار پروتئین‌ها و عملکرد آنها است. محققان مدل ریاضی را براساس این داده‌ها تدوین کردند و سپس با استفاده از روش‌های یادگیری ماشینی اطلاعات جدیدی در مورد قوانین اساسی پروتئین‌های به دست آوردند.

در این پروژه، یک نوع پروتئین مورد استفاده در باکتری‌ها، قارچ‌ها و گیاهان مورد بررسی قرار گرفت و با استفاده از مدل یادگیری ماشینی، قوانین ساده طراحی این پروتئین‌ آشکار شد.

از آنجایی که قوانین طراحی نسبتا ساده است، تعداد پروتئین‌های مصنوعی که محققان به طور بالقوه با این روش می‌توانند تولید کنند بسیار زیاد است.