Молекулярные машины — это биологические структуры, которые быстро и с высокой точностью выполняют важные задачи внутри клеток: позволяют им отвечать на сигналы внешней среды и общаться друг с другом. Также они помогают синтезировать молекулы ДНК, вырабатывать энергию и сокращаться мышцам. Молекулярные машины изобретены природой, однако ученые тоже стремятся искусственно создавать подобные устройства, которые дают возможность, например, проводить тонкие манипуляции с молекулами (включая РНК, ДНК и белки), регулировать метаболизм клеток (биохимические реакции, обеспечивающие жизнедеятельность клетки) и редактировать геном.
Разработка молекулярных машин достаточно сложна — накоплено огромное количество точечных знаний, но единой теории не существует до сих пор. Новая лаборатория ИТМО призвана упростить разработку таких наноустройств. Ее возглавил Никита Серов, младший научный сотрудник химико-биологического кластера ИТМО. В команду Никиты уже входят магистранты программы «Химия и искусственный интеллект» и бакалавры из разных городов России.
«Цель лаборатории — разработка “семейства” инструментов на основе ИИ, data science и расчетных методов, которые позволят создавать молекулярные наноустройства для прикладных задач. Также в перспективе мы хотим сформировать систему “Lego молекулярных машин”. Она включит в себя поиск и создание отдельных независимых функциональных модулей, а также способы их сборки “под ключ” в молекулярные машины с заранее запрограммированным поведением», — рассказал Никита Серов, руководитель лаборатории.
Никита Серов. Фото: ITMO.NEWS
Одно из направлений лаборатории — «Фермент под ключ». Ученые будут перестраивать при помощи генеративных нейронных сетей и эволюционных алгоритмов существующие природные молекулярные машины под конкретные задачи медицины и биотехнологий. Например, в случае генеративного дизайна каталитических (коротких цепочек ДНК, ускоряющих реакции) и сенсорных ДНК (коротких цепочек ДНК, детектирующих конкретные молекулы в растворе) это позволит направленно регулировать метаболизм клеток и селективно обнаруживать маркеры заболеваний в сложных биологических жидкостях. Такие инструменты чрезвычайно важны в разработке систем для диагностики болезней на месте оказания медицинской помощи.
Еще одно направление, в рамках которого ученые будут искать элементарные детали для молекулярных машин, — «Минимальный фермент». Для этого разрабатываются алгоритмы поиска минимальных каталитических модулей, а также алгоритм-модификатор, который обеспечивает их структурную автономность, позволяя соединять модули в любом порядке без потери функций.
В будущем команда лаборатории планирует выяснить, какие возможности предоставляют гибридные молекулярные машины из разных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Конечным продуктом, который объединит все разработанные инструменты, станет цифровая платформа с интуитивно понятным интерфейсом. Часть алгоритмов будет доступна людям без специальных знаний — они смогут сделать свой вклад в науку, решая сложные задачи в доступном формате.
Открытие лаборатории поддержал Фонд поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга.
