חוקרים הצליחו לרתום מחשבים ולמידת מכונה למשימת התכנון של חלבונים מלאכותיים – שיביאו תועלת בחקלאות, בייצור אנרגיה ואולי אפילו בהתמודדות עם משבר האקלים

חלבונים הם מכונות ביולוגיות מורכבות, "סוסי העבודה" של כל היצורים החיים. חלבונים ממלאים תפקידי מפתח בתהליכי הפקת האנרגיה, שכפול ה-DNA, זירוז התגובות הכימיות, ויסות התנאים הכימיים בתא ועוד. כל חלבון מורכב משרשרת אחת או משרשרות אחדות של אבני בניין הנקראות חומצות אמיניות; המיקום והסוג של כל חומצה אמינית בשרשרת נקבעים על ידי החומר התורשתי, ה-DNA, המכתיב את יצירת החלבון. לאחר בנייתה של שרשרת החומצות האמיניות, היא מתקפלת במרחב ויוצרת מבנה מסוים, שמוכתב על ידי רצף אבני הבניין שלה. מבנה זה מאפשר לחלבון לבצע את תפקידו. 

יכולותיהם המגוונות להפליא של החלבונים מעוררות עניין רב בקרב אנשי מדע. חוקרים ברחבי העולם מנסים לפענח כיצד מבנה החלבון מאפשר לו לבצע את תפקידו, וכיצד אפשר לצפות את מבנהו ותפקידו של החלבון על פי רצף ה-DNA שמכתיב אותו. ישנם אף חוקרים שמנסים לייצר חלבונים מלאכותיים על ידי תכנון של רצף DNA חדש. חלבונים מתוכננים אלה נועדו לבצע תפקידים שונים, למשל לשמש כחיסון או לפרק פלסטיק.

חלבון אקס מאכינה

בשנים האחרונות חלה התפתחות דרמטית בתחום למידת המכונה – תחום העוסק בפיתוח אלגוריתמים שמאפשרים לאמן מחשבים בקבלת החלטות על סמך ניתוח סטטיסטי של דוגמאות רבות. בד בבד, הולך וגדל היקף המידע שיש בידינו על הרצף, המבנה והתפקוד של חלבונים שונים. מכיוון שכמות המידע על חלבונים גדולה כל כך, וחקר החלבונים הוא תחום חשוב כל כך, היה זה מתבקש שלמידת המכונה תגויס לחקר חלבונים. במחקר בהובלת צוות מאוניברסיטת שיקגו בארצות הברית, שפורסם לאחרונה בכתב העת Science, הצליחו החוקרים להשתמש בכלים מעולם למידת המכונה כדי ללמוד כיצד רצף החומצות האמיניות של משפחת חלבונים מסוימת מאפשר לה לבצע את תפקידה. לאחר מכן השתמשו החוקרים בידע שצברו כדי לייצר חלבונים מלאכותיים, שמילאו את התפקיד של החלבונים הטבעיים באותה יעילות ולעיתים אף ביעילות רבה יותר.

החוקרים התמקדו במחקרם במשפחת חלבונים בשם כוריזמאט מוטאזים (chorismate mutase). חלבונים אלו קיימים בחיידקים, בפטריות ובצמחים, ותפקידם הוא לזרז תגובה כימית המסייעת בייצור החומצות האמיניות פנילאלנין וטירוזין. החוקרים הזינו לאלגוריתם שפיתחו את הרצפים הגנטיים של 1,259 חלבונים ממשפחה זו, ובחנו את המאפיינים המשותפים לכל הרצפים. האלגוריתם שלהם בחן את התדירות שבה מופיעה כל חומצה אמינית במיקום מסוים ברצף, וגם את התדירות שבה זוגות של חומצות אמיניות מופיעים יחדיו במיקומים מסוימים. על סמך המידע הסטטיסטי הזה יצרו החוקרים מודל שצופה את הסבירות שחלבון מלאכותי מסוים יצליח למלא את תפקידו של החלבון הטבעי, על פי רצף החומצות האמיניות שלו. בעזרת המודל, יצרו החוקרים 1,618 רצפים מלאכותיים. 

מבנה של חלבון חיידקי ממשפחת הכוריזמאט מוטאזים | ויקיפדיה, Jslipscomb
החוקרים הזינו לאלגוריתם שפיתחו את הרצפים הגנטיים של 1,259 חלבונים ממשפחה אחת, ובחנו את המאפיינים המשותפים להם. מבנה של חלבון חיידקי ממשפחת הכוריזמאט מוטאזים | ויקיפדיה, Jslipscomb

מגוון רצפים, אותה פעולה

בשלב הבא החדירו החוקרים את ה-DNA המלאכותי שיצרו לתוך חיידקים שאין בהם חלבון טבעי ממשפחת הכוריזמאט מוטאזים. את החיידקים האלה גידלו החוקרים בסביבה ללא החומצות האמיניות פנילאלנין וטירוזין. לפיכך, רק חיידקים שה-DNA הסינתטי שהוחדר להם יצליח להכתיב חלבון מלאכותי שימלא בהצלחה את תפקיד החלבון הטבעי, כלומר ייצר את החומצות האמיניות החסרות, יצליחו לגדול. 

החוקרים מצאו ש-481 מהרצפים המוחדרים אכן הכתיבו חלבון מלאכותי שהצליח למלא את תפקידו בצורה טובה, וכך איפשרו את הגדילה של החיידקים. החוקרים נוכחו שיש שונות גדולה בין הרצפים המלאכותיים שפעלו היטב, וכן מצאו שונות גדולה בין הרצפים המלאכותיים לטבעיים. ממצא זה מעיד כי מספיק מודל פשוט כדי לחזות את תפקודו של חלבון על סמך הרצף שלו, וכי מגוון עצום של רצפים יכול למלא פונקציה דומה. 

ככל הנראה, האלגוריתם שפיתחו החוקרים יוכל לשמש גם בחקר של משפחות חלבונים רבות אחרות. החוקרים מקווים לפתח בעזרתו חלבונים שיסייעו להטמיע פחמן דו חמצני וכך למתן את משבר האקלים, וחלבונים שיביאו תועלת בחקלאות, בייצור אנרגיה ועוד. במישור התיאורטי, התקווה היא שהמחקר יסייע להבין את הבסיס הפיזיקלי לפעולתם של החלבונים, וכיצד נוצרו והתפתחו במהלך האבולוציה.