AI Can Now Design Proteins That Behave Like Biological 'Transistors'

افلاطون کے ذریعہ دوبارہ شائع کیا گیا۔

فالونگ: 0

ہم اکثر پروٹین کو غیر تبدیل شدہ 3D مجسمے کے طور پر سوچتے ہیں۔

یہ بالکل ٹھیک نہیں ہے۔ بہت سے پروٹین ایسے ٹرانسفارمر ہوتے ہیں جو حیاتیاتی ضروریات کے مطابق اپنی شکلیں موڑتے اور تبدیل کرتے ہیں۔ ایک ترتیب فالج یا ہارٹ اٹیک سے نقصان دہ سگنل پھیلا سکتی ہے۔ ایک اور نتیجے میں مالیکیولر جھرن کو روک سکتا ہے اور نقصان کو محدود کر سکتا ہے۔

ایک طرح سے، پروٹینز حیاتیاتی ٹرانجسٹرز کی طرح کام کرتے ہیں - جسم کے مالیکیولر "کمپیوٹر" کی جڑ میں آن آف سوئچ اس بات کا تعین کرتے ہیں کہ یہ بیرونی اور اندرونی قوتوں اور تاثرات پر کیسے رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ سائنس دانوں نے طویل عرصے سے ان شکل بدلنے والے پروٹینوں کا مطالعہ کیا ہے تاکہ یہ سمجھنے کے لیے کہ ہمارے جسم کیسے کام کرتے ہیں۔

لیکن صرف فطرت پر کیوں بھروسہ کریں؟ کیا ہم شروع سے حیاتیاتی "ٹرانزسٹر" بنا سکتے ہیں، جو حیاتیاتی کائنات کے لیے نامعلوم ہیں؟

AI درج کریں۔ ایک سے زیادہ گہرے سیکھنے کے طریقے پہلے سے ہی پروٹین کے ڈھانچے کی درست پیش گوئی کر سکتے ہیں۔بنانے میں ایک پیش رفت نصف صدی. بعد کے مطالعے میں تیزی سے طاقتور الگورتھم کا استعمال کرتے ہوئے ارتقا کی قوتوں کے ذریعے غیر مربوط پروٹین کے ڈھانچے کو ہیلوسینیٹ کیا گیا ہے۔

پھر بھی ان AI سے تیار کردہ ڈھانچے کا زوال ہے: اگرچہ انتہائی پیچیدہ، زیادہ تر مکمل طور پر جامد ہیں — بنیادی طور پر، وقت کے ساتھ ساتھ منجمد ڈیجیٹل پروٹین کا مجسمہ۔

ایک نئی تحقیق in سائنس اس مہینے نے ڈیزائنر پروٹینوں میں لچک شامل کر کے سانچے کو توڑ دیا۔ نئے ڈھانچے بغیر کسی حد کے متنازعہ نہیں ہیں۔ تاہم، ڈیزائنر پروٹینز دو مختلف شکلوں میں مستحکم ہو سکتے ہیں - ایک بیرونی حیاتیاتی "تالے" پر منحصر ہے - ایک کھلی یا بند ترتیب میں قبضہ کے بارے میں سوچیں۔ ہر حالت کمپیوٹر کے "0" یا "1" کے مشابہ ہے جو بعد میں سیل کے آؤٹ پٹ کو کنٹرول کرتی ہے۔

یونیورسٹی آف واشنگٹن میں مطالعہ کے مصنف ڈاکٹر فلورین پریٹوریس نے کہا کہ "اس سے پہلے، ہم صرف ایک ہی پروٹین بنا سکتے تھے جن کی ایک مستحکم ترتیب تھی۔" "اب، ہم آخر کار ایسے پروٹین بنا سکتے ہیں جو حرکت کرتے ہیں، جس سے ایپلی کیشنز کی ایک غیر معمولی رینج کھل جاتی ہے۔"

سرکردہ مصنف ڈاکٹر ڈیوڈ بیکر کے خیالات ہیں: "ماحول میں کیمیکلز کا جواب دینے والے نانو اسٹرکچرز کی تشکیل سے لے کر منشیات کی ترسیل میں ایپلی کیشنز تک، ہم ابھی ان کی صلاحیتوں کو استعمال کرنا شروع کر رہے ہیں۔"

AI میں کی گئی پروٹین کی شادی

حیاتیات کا ایک مختصر سا حصہ 101۔

پروٹین ہمارے جسم کو بناتے اور چلاتے ہیں۔ یہ میکرو مالیکیول ڈی این اے سے اپنا سفر شروع کرتے ہیں۔ جینیاتی معلومات کا ترجمہ امینو ایسڈز میں کیا جاتا ہے، جو کہ ایک پروٹین کی عمارت کے بلاکس ہیں - ایک تار پر موتیوں کی تصویر بنائیں۔ ہر تار کو پھر پیچیدہ 3D شکلوں میں جوڑ دیا جاتا ہے، جس کے کچھ حصے دوسروں سے چپک جاتے ہیں۔ ثانوی ڈھانچے کہلاتے ہیں، کچھ کنفیگریشنز Twizzlers کی طرح نظر آتی ہیں۔ دوسرے قالین جیسی چادروں میں بُنتے ہیں۔ یہ شکلیں ایک دوسرے پر مزید تعمیر کرتی ہیں، انتہائی نفیس پروٹین فن تعمیرات کی تشکیل کرتی ہیں۔

یہ سمجھ کر کہ پروٹین کس طرح اپنی شکلیں حاصل کرتے ہیں، ہم ممکنہ طور پر شروع سے ہی نئی تخلیق کر سکتے ہیں، حیاتیاتی کائنات کو وسعت دے سکتے ہیں اور وائرل انفیکشن اور دیگر بیماریوں کے خلاف نئے ہتھیار بنا سکتے ہیں۔

2020 میں، DeepMind کے AlphaFold اور David Baker lab کے RoseTTAFold نے صرف امینو ایسڈ کی ترتیب کی بنیاد پر پروٹین کے ڈھانچے کی درست پیشین گوئی کر کے ساختی حیاتیات کے انٹرنیٹ کو توڑ دیا۔

اس کے بعد سے، AI ماڈلز نے تقریباً ہر پروٹین کی شکل کی پیش گوئی کی ہے جو سائنس کے لیے معلوم اور نامعلوم ہے۔ یہ طاقتور ٹولز پہلے ہی حیاتیاتی تحقیق کو نئی شکل دے رہے ہیں، جس سے سائنسدانوں کو ممکنہ اہداف کو تیزی سے ختم کرنے میں مدد مل رہی ہے۔ اینٹی بائیوٹک مزاحمت کا مقابلہ کریں۔، کا مطالعہ کریں۔ ہمارے ڈی این اے کی "ہاؤسنگ", نئی ویکسین تیار کریں۔ یا دماغ کو تباہ کرنے والی بیماریوں پر بھی روشنی ڈالیں، جیسے پارکنسنز کی بیماری.

اس کے بعد ایک دھماکا ہوا: تخلیقی AI ماڈلز، جیسے DALL-E اور ChatGPT، نے ایک طلسماتی امکان پیش کیا۔ پروٹین کے ڈھانچے کی محض پیش گوئی کرنے کے بجائے، کیوں نہیں۔ AI خواب دیکھیں مکمل طور پر ناول اس کے بجائے پروٹین ڈھانچے؟ ایک پروٹین سے جو کیلشیم کی سطح کو منظم کرنے کے لیے ہارمونز کو جوڑتا ہے۔ مصنوعی خامروں جو بایولومینیسینس کو متحرک کرتا ہے، ابتدائی نتائج نے جوش و خروش کو جنم دیا اور AI کے ڈیزائن کردہ پروٹین کی صلاحیت لامتناہی لگ رہی تھی۔

ان دریافتوں کا مرکز بیکر کی لیب ہے۔ RoseTTAFold کو جاری کرنے کے فوراً بعد، انہوں نے ایک پروٹین پر فنکشنل سائٹس کو کیل کرنے کے لیے الگورتھم کو مزید تیار کیا — جہاں یہ دوسرے پروٹین، ادویات، یا اینٹی باڈیز کے ساتھ تعامل کرتا ہے — سائنسدانوں کے لیے راہ ہموار کرتا ہے۔ خواب دیکھنا نئی دوائیں جن کا انہوں نے ابھی تک تصور بھی نہیں کیا تھا۔

پھر بھی ایک چیز غائب تھی: لچک۔ پروٹین کی ایک بڑی تعداد اپنے حیاتیاتی پیغام کو تبدیل کرنے کے لیے شکل میں "کوڈ شفٹ" کرتی ہے۔ نتیجہ لفظی طور پر زندگی یا موت ہو سکتا ہے: بیکس نامی ایک پروٹین، مثال کے طور پر، اس کی شکل بدل دیتی ہے۔ ایک ایسی تشکیل میں جو سیل کی موت کو متحرک کرتی ہے۔ الزائمر کی بیماری میں شامل ایک پروٹین Amyloid بیٹا، بدنام زمانہ ایک مختلف شکل اختیار کرتا ہے کیونکہ یہ دماغی خلیوں کو نقصان پہنچاتا ہے۔

ایک ایسا AI جو اسی طرح کے فلپ فلاپ پروٹینوں کو فریب دیتا ہے ہمیں ان حیاتیاتی مسائل کو سمجھنے اور دوبارہ بیان کرنے کے قریب لے جا سکتا ہے۔

قبضہ، لائن، اور سنکر

جوہری سطح پر ایک پروٹین کو ڈیزائن کرنا — اور یہ امید کرنا کہ یہ زندہ خلیے میں کام کرے — مشکل ہے۔ دو کنفیگریشن کے ساتھ ایک کو ڈیزائن کرنا ایک ڈراؤنا خواب ہے۔

ایک ڈھیلے مشابہت کے طور پر، بادل میں برف کے کرسٹل کے بارے میں سوچیں جو آخر کار برف کے ٹکڑے بنتے ہیں، ہر ایک ساخت میں مختلف ہوتا ہے۔ اے آئی کا کام پروٹین بنانا ہے جو ایک ہی امینو ایسڈ "آئس کرسٹل" کا استعمال کرتے ہوئے دو مختلف "سنو فلیکس" کے درمیان منتقل ہو سکتے ہیں، جس میں ہر حالت "آن" یا "آف" سوئچ سے مطابقت رکھتی ہے۔ مزید برآں، پروٹین کو زندہ خلیوں کے اندر اچھا کھیلنا پڑتا ہے۔

ٹیم نے کئی اصولوں کے ساتھ آغاز کیا۔ سب سے پہلے، ہر ڈھانچہ دونوں ریاستوں کے درمیان بالکل مختلف نظر آنا چاہیے جیسے کہ ایک انسانی پروفائل کھڑا یا بیٹھا ہے۔ ٹیم نے وضاحت کی کہ وہ ایٹموں کے درمیان فاصلے کی پیمائش کرکے اس کی جانچ کرسکتے ہیں۔ دوسرا، تبدیلی تیزی سے ہونے کی ضرورت ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ پروٹین اپنے آپ کو دوبارہ ایک دوسری شکل میں جوڑنے سے پہلے مکمل طور پر نہیں پھوٹ سکتا، جس میں وقت لگتا ہے۔

پھر ایک فعال پروٹین کے لیے کچھ بنیادی رہنما اصول ہیں: اسے دونوں ریاستوں میں جسمانی مائعات کے ساتھ اچھا کھیلنے کی ضرورت ہے۔ آخر میں، اسے ایک سوئچ کے طور پر کام کرنا پڑتا ہے، اس کی شکل کو ان پٹ اور آؤٹ پٹس کے لحاظ سے تبدیل کرنا پڑتا ہے۔

ٹیم نے کہا کہ "ایک پروٹین سسٹم میں ان تمام خصوصیات کو پورا کرنا مشکل ہے۔"

الفا فولڈ، روزیٹا، اور پروٹین ایم پی این این کے مرکب کا استعمال کرتے ہوئے، حتمی ڈیزائن ایک قبضے کی طرح لگتا ہے۔ اس کے دو سخت حصے ہیں جو ایک دوسرے کے نسبت حرکت کر سکتے ہیں، جبکہ دوسرا ٹکڑا جوڑا ہوا رہتا ہے۔ عام طور پر پروٹین بند ہے. محرک ایک چھوٹا پیپٹائڈ ہے - امینو ایسڈ کی ایک مختصر زنجیر - جو قلابے سے جڑی ہوئی ہے اور اس کی شکل میں تبدیلی کو متحرک کرتی ہے۔ یہ نام نہاد "ایفیکٹر پیپٹائڈس" احتیاط سے مخصوصیت کے لیے ڈیزائن کیے گئے تھے، جس سے ان کے ہدف سے باہر کے حصوں پر قبضہ کرنے کے امکانات کم ہوتے ہیں۔

ٹیم نے سب سے پہلے ایک سے زیادہ قبضہ ڈیزائنوں میں گلو ان دی ڈارک ٹرگر پیپٹائڈس شامل کیے۔ بعد کے تجزیے سے پتا چلا کہ ٹرگر آسانی سے قبضے پر آ گیا۔ پروٹین کی ترتیب بدل گئی۔ سنٹی چیک کے طور پر، شکل ایک ایسی تھی جو پہلے AI تجزیہ کا استعمال کرتے ہوئے پیش کی گئی تھی۔

پروٹین ڈیزائنوں کے کرسٹلائزڈ ڈھانچے کا استعمال کرتے ہوئے اضافی مطالعات، یا تو انفیکٹر کے ساتھ یا اس کے بغیر، نتائج کی مزید توثیق کرتے ہیں۔ ان ٹیسٹوں نے ڈیزائن کے اصولوں کو بھی تلاش کیا جس نے قبضہ کو کام کیا، اور پیرامیٹرز جو ایک ریاست کو دوسری حالت میں ٹپ کرتے ہیں۔

دور لے؟ AI اب پروٹین کو دو مختلف حالتوں کے ساتھ ڈیزائن کر سکتا ہے - بنیادی طور پر مصنوعی حیاتیات کے لیے حیاتیاتی ٹرانجسٹرز بنانا۔ ابھی کے لیے، یہ نظام اپنے مطالعے میں صرف اپنی مرضی کے مطابق ڈیزائن کردہ اثر پیپٹائڈس کا استعمال کرتا ہے، جو تحقیق اور طبی صلاحیت کو محدود کر سکتا ہے۔ لیکن ٹیم کے مطابق، حکمت عملی قدرتی پیپٹائڈس تک بھی پھیل سکتی ہے، جیسے کہ وہ پروٹین جو بلڈ شوگر کو ریگولیٹ کرنے میں شامل ہوتے ہیں، ٹشوز میں پانی کو کنٹرول کرتے ہیں، یا دماغی سرگرمی کو متاثر کرتے ہیں۔

ٹیم نے کہا کہ "الیکٹرانک سرکٹس میں ٹرانزسٹروں کی طرح، ہم سینسنگ ڈیوائسز بنانے اور انہیں بڑے پروٹین سسٹمز میں شامل کرنے کے لیے بیرونی آؤٹ پٹس اور ان پٹ کے سوئچز کو جوڑ سکتے ہیں۔"

مطالعہ کے مصنف ڈاکٹر فلپ لیونگ نے مزید کہا: "یہ بائیو ٹیکنالوجی میں اسی طرح انقلاب لا سکتا ہے جس طرح ٹرانسسٹروں نے الیکٹرانکس کو تبدیل کیا۔"

تصویری کریڈٹ: ایان سی ہیڈن/ یو ڈبلیو انسٹی ٹیوٹ برائے پروٹین ڈیزائن