توسط : طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری امروزه به یکی از موضوعات داغ در حوزه زیست‌فناوری و شیمی تبدیل شده است. پژوهشگران موفق شده‌اند با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته و دانش فیزیک مولکولی، آنزیم‌هایی را به‌صورت کاملا مصنوعی طراحی کنند که کارایی و سرعت واکنش‌پذیری آن‌ها مشابه آنزیم‌های طبیعی و حتی در مواردی فراتر از آن‌هاست. این دستاورد می‌تواند راه را برای تولید سریع و اختصاصی آنزیم‌ها جهت کاربردهای پزشکی و صنعتی باز کند و انقلابی در زمینه مهندسی پروتئین رقم بزند.
روند نوآورانه در طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری
در گذشته، طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری عمدتا منجر به ساخت کاتالیزورهایی می‌شد که بازدهی چندان بالایی نداشتند و پژوهشگران مجبور بودند آن‌ها را با آزمایش‌های مکرر و وقت‌گیر در آزمایشگاه بهینه‌سازی کنند. اما تیمی از دانشمندان به رهبری سَرِل فلیشمن (Sarel Fleishman) از مؤسسه وایزمن، رویکردی متفاوت اتخاذ کردند. آن‌ها با استفاده از داده‌های چندین آنزیم طبیعی، توالی پروتئین‌ها را به قطعات کوچک‌تر تقسیم کرده و این قطعات را به‌طور گسترده با هم ترکیب کردند تا میلیون‌ها ترکیب جدید پدید آید.
سپس، این ترکیب‌ها توسط الگوریتمی قدرتمند که رفتار اتم‌ها در پروتئین را شبیه‌سازی می‌کرد، بررسی شدند. هدف این بود که ساختار شیمیایی ایده‌آل برای آنزیم جدید پیدا شود. در نهایت، آن‌ها موفق به طراحی آنزیمی شدند که واکنش شیمیایی غیرطبیعی موسوم به “حذف کمپ” (Kemp elimination) را با سرعت و کارایی بسیار بالا انجام می‌دهد؛ واکنشی که تاکنون هیچ آنزیم طبیعی قادر به انجام آن نبوده است.
نقش الگوریتم و فیزیک در ساخت آنزیم‌های مصنوعی
در فرآیند طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری، پژوهشگران فراتر از تکیه صرف بر داده‌های تجربی یا هوش مصنوعی پیش رفتند و فیزیک ساختار پروتئین‌ها را نیز مد نظر قرار دادند. برای مثال، آن‌ها فرضیه قدیمی درباره ضرورت وجود یک اسیدآمینه حلقه‌ای در محل فعال آنزیم را به چالش کشیدند و الگوریتم را ملزم کردند تا گزینه‌های متفاوت را نیز بررسی کند. نتیجه شگفت‌آور بود؛ آنزیمی با یک اسیدآمینه غیرحلقه‌ای در این نقطه خاص ساخته شد که کارایی بسیار بالاتری داشت. جالب‌تر اینکه، این آنزیم جدید در مقایسه با آنزیم‌های مشابهی که پیش‌تر با هوش مصنوعی طراحی شده بودند، بیش از ۱۰۰ برابر موثرتر بود.
طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری و تلفیق با هوش مصنوعی
هرچند موفقیت اخیر چشمگیر است، اما این آنزیم‌های مصنوعی هنوز ساده‌تر از بسیاری از آنزیم‌های طبیعی هستند که می‌توانند واکنش‌های چندمرحله‌ای پیچیده را انجام دهند. پژوهشگران اکنون در حال بررسی این هستند که آیا همین سیستم طراحی می‌تواند بازدهی آنزیم‌های مهم‌تر و پیچیده‌تری مثل روبیسکو (Rubisco)، آنزیمی کلیدی در فرآیند فتوسنتز را نیز بهبود ببخشد یا خیر.
در یک دهه اخیر، استفاده از هوش مصنوعی در طراحی پروتئین‌ها افزایش یافته است، اما این روش‌ها معمولا بر الگوگیری از نحوه عملکرد آنزیم‌ها تکیه دارند، نه بر درک عمیق فیزیکی ساختار آن‌ها. بنابراین، ترکیب الگوریتم‌هایی که دانش فیزیک را لحاظ می‌کنند با رویکردهای مبتنی بر هوش مصنوعی، کلید آینده روشن این حوزه خواهد بود. همان‌طور که دکتر سیلویا اوسونا از دانشگاه Girona بیان می‌کند: «اگر می‌خواهیم این حوزه را به جلو ببریم، باید هر دو روش را با هم تلفیق کنیم تا بتوانیم آنزیم‌های بهتری طراحی کنیم.»
جمع‌بندی
طراحی آنزیم مصنوعی با الگوریتم‌های کامپیوتری دریچه‌ای تازه به روی مهندسی پروتئین گشوده و نشان داده که مدل‌های فعلی درک ساختار و عملکرد پروتئین‌ها به اندازه‌ای پیشرفته شده‌اند که می‌توان با آن‌ها آنزیم‌های نوآورانه و کارآمد ساخت. ترکیب این روش با هوش مصنوعی، آینده صنعت و پزشکی را متحول خواهد کرد.
