Искусственный интеллект разработал многоступенчатый фермент для разложения некоторых видов пластика.

Исследователи с использованием искусственного интеллекта (ИИ) и технологий, таких как RFDiffusion и PLACER, смогли разработать новый фермент, способный расщеплять пластик, атакуя эстерные связи — ключевой компонент полимеров.

Ars Technica сообщает: Исследователи начали с применения стандартных инструментов для проектирования белков, включая ИИ-инструмент под названием RFDiffusion. Этот инструмент использует случайные значения для генерации различных фоновых структур белка. В данном случае исследователи попросили RFDiffusion выровнять средние позиции аминокислот в семействе ферментов, расщепляющих эстеры. Результаты были переданы в другую нейронную сеть, которая выбрала такие аминокислоты, чтобы они образовали карман для удержания эстера, который разрушается до светящегося молекулы, что позволяло следить за активностью фермента по его свечению.

Из 129 синтезированных белков только два показывали флуоресценцию. Поэтому команда решила использовать еще один ИИ — PLACER. Эта программа была обучена на основе всех известных структур белков, связанных со малыми молекулами, и случайным образом изменяла некоторые из их структур, заставляя искусственный интеллект учиться возвращать вещество в рабочее состояние (что делает ее генеративной AI). Надеялись, что PLACER сможет уловить некоторые детали структуры, которые позволяют ферментам принимать более одного конкретного конфигурации во время реакции. И это сработало: повторение процесса с дополнительным этапом отбора посредством PLACER увеличило количество активных ферментов более чем в три раза.

К сожалению, все эти ферменты замирали после одной реакции. Оказалось, что они лучше всего расщепляют эстерные связи, но оставляют часть их химически связанной с ферментом. Другими словами, ферменты действовали как часть реакции, а не как катализаторы. Поэтому исследователи начали использовать PLACER для отбора структур, которые могут принимать ключевое промежуточное состояние реакции. Это дало значительно больший процент активных ферментов (18% из них расщепляли эстерные связи), и два из этих ферментов — названные "супер" и "вин" — могли циклически проходить через несколько реакций. Команда, таким образом, создала функционирующий фермент.

Добавлением дополнительных этапов, чередуя предложения структур с использованием RFDiffusion и отбором с помощью PLACER, команда смогла увеличить частоту появления функциональных ферментов. В конечном итоге они разработали один, имеющий активность, сравнимую с той, что создают живые организмы. Исследователи также показали, что можно использовать тот же процесс для проектирования эстеразы, способной расщеплять связи в ПЭТ — обычном пластике.

Исследование опубликовано в журнале Science.