La Inteligencia Artificial (IA) puede utilizarse para diseñar proteínas que aceleren las reacciones químicas (enzimas)

 Publicado originalmente por Ian Haydon, Universidad de Washington, 22 de febrero de 2023

Concepción imaginativa de un artista de la idea de las enzimas emisoras de luz. Crédito: Ian Haydon / Instituto de Diseño de Proteínas

Por primera vez, los científicos han utilizado el aprendizaje automático para crear nuevas enzimas, proteínas cuya función consiste en acelerar reacciones químicas. Este es un paso importante en el campo del diseño de proteínas, ya que las nuevas enzimas podrían tener múltiples usos en medicina y fabricación industrial.

"Los organismos vivos son ingenieros químicos notables. En lugar de depender de compuestos tóxicos o de calor extremo, utilizan enzimas para descomponer o acumular lo que necesitan en condiciones más moderadas. Las nuevas enzimas podrían facilitar la consecución de productos químicos renovables y biocombustibles", declaraba David Baker, autor principal y profesor de bioquímica en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y ganador del Premio Breakthrough 2021 en Ciencias de la Vida.

Tal como informó en la revista Nature el 22 de febrero pasado, un equipo con sede en el Instituto de Diseño de Proteínas del Departamento de Medicina de la Universidad de Washington ideó algoritmos de  aprendizaje automático que pueden crear enzimas emisoras de luz llamadas luciferasas. Las pruebas de laboratorio confirmaron que las nuevas enzimas pueden reconocer sustancias químicas específicas y emitir luz de manera muy eficiente. Este proyecto fue dirigido por dos becarios de postdoctorado del Baker Lab: Andy Hsien-Wei Yeh y Christoffer Norn.

El artículo de Nature se titula "De novo design of luciferases using deep learning."  ("Diseño ‘de novo’ de luciferasas utilizando aprendizaje profundo").

Para crear nuevas enzimas luciferasas, el equipo primero seleccionó sustancias químicas llamadas luciferinas sobre las que querían que actuaran las proteínas. Luego utilizaron software para generar miles de posibles estructuras de proteínas que podrían reaccionar con esos productos químicos.

Durante las pruebas de laboratorio, los investigadores identificaron una enzima eficiente, denominada LuxSit (Hagase la luz). La enzima realizó la reacción química deseada. El refinamiento de la enzima condujo a mejoras importantes en su rendimiento. Una enzima optimizada, denominada LuxSit-i, generó suficiente luz para ser visible a simple vista. Se encontró que era más brillante que la enzima luciferasa natural que se encuentra en la brillante criatura marina ‘pensamiento marino’ (Renilla reniformis).

"Pudimos diseñar enzimas muy eficientes desde cero con la computadora, en lugar de confiar en las enzimas que se encuentran en la naturaleza. Este avance significa que, en principio, las enzimas se podrían diseñar ‘a medida’ para casi cualquier reacción química ", dijo Yeh.

Las nuevas enzimas podrían beneficiar a la biotecnología, la medicina, la remediación ambiental y los procesos manufactureros. Por ejemplo, en biotecnología, las enzimas pueden mejorar la producción de biocombustibles, el procesado de alimentos y la fabricación farmacéutica de medicamentos. En medicina, las enzimas pueden servir como herramientas terapéuticas y de diagnóstico. El diseño de enzimas puede mejorar el medio ambiente al descomponer contaminantes o limpiar sitios contaminados y las enzimas también pueden ayudar en la producción de nuevos materiales como plásticos y adhesivos biodegradables.

Esta investigación fue dirigida por científicos de la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington e incluyó colaboradores de la Universidad de California, Los Ángeles.

Más información: Andy Hsien-Wei Yeh et al, De novo design of luciferases using deep learning, Nature (2023).  DOI: 10.1038/s41586-023-05696-3

 Información de la revista: Nature

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