Прогнозирование в сворачивании белков назвали одним из прорывов искусственного интеллекта в 2024 году. Словно подтверждая это, учёные сообщили сегодня о разработке с помощью ИИ противоядий от самых смертоносных змеиных ядов мамб, морских и гремучих змей. Глубокое машинное обучение в режиме диалога с исследователями помогло создать белки, защищающие организм от смертельных токсинов, что было подтверждено проверками на мышах. И это только начало.

Источник изображения: Kate Zvorykina/Ella Maru Studio

Сегодня противоядия создаются сложным и дорогостоящим методом иммунизации животных. Животным, например лошадям, вводят яд змей и ждут появления антител. Затем антитела извлекаются из забранной крови на центрифуге, что ведёт к образованию сыворотки — фактически лекарства. На всё это уходят недели и месяцы. Машинное обучение обещает радикально сократить время синтеза белков для нейтрализации токсинов. И это будет, конечно же, дешевле и безопаснее для пострадавших.

Исследование провёл медицинский факультет Вашингтонского университета (UW Medicine) в сотрудничестве с коллегами из Медицинского института по разработке белков Калифорнийского университета и Технического университета Дании. Забегая вперёд, отметим, что университет подал заявку на получение патента на разработанное с помощью ИИ противоядие.

Проблема с укусами змей ежегодно затрагивает свыше 2 млн человек. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 100 000 из них умирают, а 300 000 страдают от серьёзных осложнений и даже становятся инвалидами в результате деформации конечностей, ампутации или других последствий. Страны Африки к югу от Сахары, Южная Азия, Папуа-Новая Гвинея и Латинская Америка входят в число мест, где укусы ядовитых змей представляют наибольшую проблему для общественного здравоохранения.

Исследовательская группа сосредоточила своё внимание на поиске способов нейтрализации яда, полученного от определенных элапидов. Элапиды — это большая группа ядовитых змей, среди которых кобры и мамбы, обитающие в тропиках и субтропиках. Яд этой группы включает так называемый токсин трёх пальцев (three-finger toxin, 3FTx). Это химическое вещество повреждает ткани организма, убивая клетки, а также прерывает сигналы между нервами и мышцами, вызывая паралич и смерть.

ИИ помог создать новые белки, которые вступали в соединения с токсинами и связывали их, не допуская к рецепторам клеток живого организма. Взаимодействуя с программой, учёные получали инструкции по синтезу термостабильных белков с высокой способностью связываться с токсинами. Практически синтезированные белки почти полностью соответствовали на атомарном уровне компьютерному дизайну с глубоким обучением.

В лабораторных условиях разработанные белки эффективно нейтрализовали все три подсемейства тестируемых трёхпальцевых токсинов. При введении мышам разработанные белки защищали животных от того, что могло быть смертельным воздействием на них.

Разработанные белки обладают множеством преимуществ. Их можно производить с неизменным качеством с помощью технологий рекомбинантной ДНК, а не путём иммунизации животных. Кроме того, новые белки, разработанные против змеиных токсинов, имеют небольшие размеры по сравнению с антителами. Их меньший размер может обеспечить большее проникновение в ткани для быстрого противодействия токсинам и уменьшения повреждений.

В дополнение к открытию новых путей разработки противоядий, исследователи полагают, что методы компьютерного проектирования могут быть использованы для разработки других лекарств. Такие методы также могут быть использованы для поиска лекарств от так называемых пренебрегаемых заболеваний, которые поражают беднейшие страны в зоне тропиков, на что обычно никогда нет денег.

В Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне (University of Illinois at Urbana-Champaign) создали NanoGripper — нечто вроде четырёхпалой руки из цельного фрагмента ДНК. Пальцы этой «руки» автоматически сжимаются вокруг вируса, реагируя на его молекулярный состав. После этого действие вируса блокируется — он не может проникнуть в клетку и заразить её. Кроме того, NanoGripper способен доставлять лекарства к клеткам-мишеням, что даёт надежду на его применение в борьбе с раком.

Источник изображений: University of Illinois at Urbana-Champaign

По словам учёных, это первая работа такого рода, позволяющая из одной неразрывной нити ДНК создать захват нанометрового масштаба. Нить многократно сгибают, чтобы воспроизвести четырёхпалый захват с тремя подвижными суставами на каждом «пальце». NanoGripper был протестирован на захвате вируса COVID-19: чувствительные элементы суставов захвата были настроены на обнаружение спайковых белков вируса. Как только вирус попадал в зону действия захвата, он тут же обхватывался.

Чужеродный элемент, закреплённый на вирусе, не давал ему проникнуть в клетку. В сочетании с диагностической системой это позволяло легко идентифицировать патоген. Зафиксированный и обездвиженный вирус становился мишенью для флуоресцентных молекул, что выдавало его присутствие. Таким образом, NanoGripper открывает возможность подсчёта вирусов в биоматериале, обеспечивая сверхточную диагностику.

Предложенное решение не поможет вылечить уже заразившегося человека, но может использоваться в качестве профилактической меры. Например, в виде назального спрея, создающего защитный барьер против вирусов. Достаточно будет закапать нос, и своеобразные «капканы» для вирусных частиц будут готовы.

Как отмечают исследователи в своей работе, опубликованной в журнале *Science Robotics*, открытие имеет более широкий потенциал, чем заявлено в статье. NanoGripper может использоваться для доставки лекарств от рака непосредственно к клеткам, настройки на другие вирусы, такие как ВИЧ или гепатит, а также для диагностики.

«Мы стремились создать робота из мягкого материала наноразмерного масштаба с невиданными ранее функциями захвата, который мог бы взаимодействовать с клетками, вирусами и другими молекулами для биомедицинских применений, — поясняют учёные. — Мы используем ДНК из-за её уникальных структурных свойств: прочности, гибкости и программируемости. Даже для области ДНК-оригами это новаторство с точки зрения принципа проектирования. Мы сгибаем одну длинную нить ДНК взад и вперёд, чтобы за один шаг получить все элементы, как статичные, так и подвижные».

Китайские учёные разработали новый метод хранения данных в ДНК, способный произвести революцию в этой узкой области. Группа исследователей Пекинского университета и трёх других научных учреждений опубликовала работу, посвящённую применению метилирования ДНК для выборочной мутации «эпи-битов» на уже существующих цепочках ДНК. Это значительно ускоряет процесс записи данных, но применять технологию на практике пока рано.

Источник изображения: MV-Fotos / pixabay.com

Запись информации в ДНК позволяет добиться невероятно высокой плотности данных — до 215 Пбайт на 1 грамм, но процессы записи и чтения пока и очень дороги, и очень медленны. Традиционно размещение данных в ДНК означает создание последовательностей с нуля, а китайские учёные предлагают записывать информацию в уже существующие нити, что в теории поможет сэкономить время и средства.

Метод «эпи-битов» основан на естественном процессе, который называется «метилированием ДНК» — он имитирует эволюцию, которую претерпевают нити ДНК в течение жизни. Учёные создали из нуклеиновых кислот 700 «подвижных типов» ДНК. Этот метод может реализовываться вручную или автоматически: в ходе тестирования исследователи сначала напечатали, а затем вызвали изображения размером 18 833 бита и 252 504 бита (31,5 кбайт) в автоматическом режиме со скоростью 350 битов за реакцию.

Для записи и хранения используется система штрих-кодов, помогающая отметить, где находятся фрагменты данных, чтобы их можно было извлечь с заданным уровнем скорости и точности. Запись информации в ДНК вручную — относительно несложный процесс даже для неспециалистов: 60 добровольцев без опыта работы в биолаборатории при помощи сервиса хранения данных iDNAdrive вручную закодировали 5000 битов текстовых данных.

Предложенный китайскими учёными метод хранения данных в ДНК использует сильные стороны этой технологии — высокие плотность и стабильность — и добавляет к ним программируемость и масштабируемость. Но применять её на практике ещё рано: сейчас запись информации производится на скорости около 40 бит/с — примерно в 30 млн раз медленнее, чем на традиционный жёсткий диск. Зато стоимость оказалась примерно в десять раз ниже, чем создание последовательности с нуля — достаточно купить условные «ручку и чернила». На рынке цены пока заоблачные — французский стартап Biomemory взимает €1000 за запись 1 кбайт на карту памяти с ДНК.

Запись информации в ДНК обещает кардинально повысить плотность цифровых архивов, а способность этих молекул воспроизводить последовательности нуклеотидных оснований сравнима с редактированием и исполнением кода. До недавних пор учёным удавалось либо одно, либо другое, что далеко от идеала — создания биокомпьютеров для одновременного хранения и обработки информации. Учёные из США утверждают, что у них появилось решение.

Источник изображения: Pixabay

По словам исследователей из Университета Северной Каролины (NC) и Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University), они создали буквально предшественника всех ДНК-компьютеров будущего — систему, которая обеспечивает полный набор вычислительных функций с использованием цепочек нуклеиновых кислот, таких как хранение, считывание, стирание, перемещение и перезапись данных, а также управление этими функциями, как это делает обычный программируемый компьютер.

«Считалось, что, хотя хранение данных в ДНК может быть полезным для долгосрочного хранения информации, было бы трудно или невозможно разработать ДНК-технологию, которая охватывала бы весь спектр операций, присущих традиционным электронным устройствам, — поясняют авторы работы. — Мы продемонстрировали, что эти технологии, основанные на ДНК, жизнеспособны, потому что мы их создали».

В основе разработки лежит технология упорядоченного или даже иерархического распределения ДНК, тогда как обычно учёные работали с ДНК, свободно плавающими в растворах. Для этого учёные создали разветвлённую «волокнистую» структуру из такого полимера, как дендриколлоид диаметром 50 мкм. ДНК как бы вплетались в древовидную структуру нитей полимера, что позволяло, например, упростить стирание и перезапись заданных участков подобно работе с жёстким диском.

При этом чтение не разрушало информацию (ДНК), так как она извлекалась из основы с помощью воспроизведения нужных участков в РНК — естественной функции, миллиарды лет присущей механизму дупликации с использованием ДНК. Одним из важнейших открытий стал найденный учёными способ отличать ДНК от основания (от волокон, в которые вплетены эти молекулы). Далее учёные показали, что с этими данными (с нуклеотидными основаниями) можно производить вычисления, как на обычном компьютере.

Искусственное старение образцов показало, что при температуре 4 °C информация может сохраняться до 6000 лет, а при заморозке до -18 °C — до 2 млн лет. В одном кубическом сантиметре предложенная основа — дендриколлоид — сможет хранить до 10 Пбайт данных. Это хорошая заявка на расширение ёмкостей для длительного хранения архивов, которые смогут пережить не одну цивилизацию на Земле.

ДНК — значительно более плотный носитель данных, чем что-либо, что создали люди, но проблема в том, что этот носитель крайне хрупкий. Для её решения учёные решили воспользоваться ещё одним достижением природы и создали искусственный янтарь, способный защитить хранящиеся в ДНК данные в течение длительного времени.

Источник изображений: news.mit.edu

Один грамм ДНК способен хранить до 215 Пбайт (215 млн гигабайт) данных — объёма с обувную коробку хватило бы на весь интернет. Это побудило учёных начать экспериментировать с записью данных в ДНК и их последующим считыванием, но необходимо обеспечить и их сохранность. Поэтому исследователи Массачусетского технологического института (США) создали своего рода искусственный янтарь, способный обеспечить защиту ДНК в течение длительного времени, а также последующее считывание данных. Это термореактивный материал — при нагревании он становится стекловидным твёрдым веществом, а при необходимости разрушается под воздействием химических соединений.

Учёные создали смесь мономеров, которые формируют сферические комплексы ДНК внутри и имеют водоотталкивающий слой снаружи — он нужен, потому что влага может повредить ДНК. Смесь нагревается и образует стекловидный блок, а ДНК с сохранёнными данными остаётся внутри. Когда возникает потребность считать эти данные, искусственный янтарь подвергается воздействию цистеамина — вещества, который его разрушает. После этого применяется детергент (моющее средство) под названием SDS, который отделяет ДНК, не повреждая её. Технологии присвоили название T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation).

На испытаниях учёные успешно применили технологию T-REX для хранения последовательностей ДНК различной длины при температурах до 75 °C. На тестовые последовательности они записали изданную Авраамом Линкольном «Прокламацию об освобождении рабов», логотип Массачусетского технологического института и музыкальную тему из фильма «Парк юрского периода» (Jurassic Park). Когда ДНК извлекли и секвенировали, ошибок обнаружено не было. Сейчас на процесс T-REX требуются несколько часов, и учёные говорят, что его можно оптимизировать. Едва ли накопители на основе ДНК когда-нибудь появятся в потребительских компьютерах, но для долгосрочного архивного хранения данных она может оказаться полезной.

Компания 23andMe, которая проводит анализы ДНК, сообщила, что в результате недавнего взлома произошла утечка данных, принадлежащих 6,9 млн пользователей. Инцидент коснулся 5,5 млн пользователей с активной функцией DNA Relatives (сопоставление людей со схожими ДНК) и 1,4 млн с профилями генеалогического древа.

Источник изображения: Darwin Laganzon / pixabay.com

Компания раскрыла информацию об инциденте в заявлении Комиссии по ценным бумагам и биржам (SEC) США, а также в официальном блоге. Злоумышленники, по версии 23andMe, получили доступ к информации, воспользовавшись методом подстановки данных: люди часто пользуются одинаковыми логинами и паролями на разных сервисах, из-за чего компрометация данных на одном открывает доступ к другим. В результате хакерам удалось войти в 0,1 % (14 000) учётных записей в системе компании. Сделав это, они воспользовались функцией DNA Relatives, предполагающей сопоставление ДНК вероятных родственников, и получили дополнительную информацию нескольких миллионов других профилей.

Первые сведения об инциденте были преданы огласке в октябре, когда 23andMe подтвердила, что данные её пользователей выставили на продажу в даркнете. Впоследствии компания заявила, что проверяет сообщения о публикации 4 млн генетических профилей жителей Великобритании, а также «самых богатых людей, проживающих в США и Западной Европе». В базе утечки 5,5 млн пользователей DNA Relatives оказались их отображаемые в системе имена, вероятные связи с другими людьми, число пользователей с совпадениями в ДНК, сведения о происхождении, указанные самими пользователями местоположения, места рождения предков, фамилии, изображения профиля и многое другое. Ещё 1,4 млн пользователей имели доступ к профилям генеалогического древа — из этой базы были похищены их отображаемые имена, родственные связи, годы рождения и указанные этими пользователями местоположения. Во второй базе, однако, не было степеней совпадения ДНК.

В 23andMe сообщили, что продолжают уведомлять пострадавших от утечки пользователей. Компания стала предупреждать клиентов о необходимости сменить пароли и принудительно внедрять двухфакторную авторизацию, которая ранее была необязательной.

Несмотря на все достижения в области работы с ДНК — шаблоном и инструментом для воспроизведения и развития живых организмов на Земле — попытки использовать этот же механизм для выполнения математических алгоритмов пока не могут считаться достаточно успешными. В то же время логика на ДНК способна на колоссальный параллелизм, что позволит умножить мощность компьютеров, в чём далеко продвинулись китайские учёные.

Источник изображения: Pixabay

Наука далеко шагнула в области записи данных на ДНК. Это базовая опция дезоксирибонуклеиновой кислоты. Запись и хранение данных относительно нетребовательны к скорости работы платформы, которая зависит от скорости протекания биохимических реакций. Другое дело вычислительные цепи, скорость работы которых должна быть максимальной. В принципе, параллелизм частично решает эту проблему. Но до последнего времени электронные цепи на ДНК, с которыми работали учёные, не могли похвастаться универсальностью — они выполняли лишь ограниченный круг алгоритмов.

Группа исследователей из Китая разработала интегральную схему ДНК, которая способна выполнять множество разнообразных операций. По словам учёных, реконфигурируемый базовый элемент (электронная цепь) с 24 адресуемыми двухканальными затворами может быть представлен в виде 100 млрд вариаций цепей, каждая из которых сможет выполнять собственную подпрограмму. Из этого следует, что на основе этого решения можно спроектировать процессор общего назначения для запуска любых программ.

В своей работе, которая была опубликована в журнале Nature, исследователи показали, как с помощью трёхслойной матрицы из цепей на базе их ДНК-чипа можно обеспечивать простейшие математические операции. Представленная платформа легко масштабируется, что позволяет рассчитывать на создание в будущем очень мощных процессоров.

Для решения вопроса масштабирования учёные проделали другую работу. Ведь для прохождения сигнала в цепях из ДНК потребуется передача биохимических данных в заданном направлении и без затухания. И чем длиннее будет этот путь (масштаб), тем выше будет вероятность потери «сигнала» — фрагмента ДНК или концентрации фрагментов ДНК. В качестве «сигнала» китайские учёные испытали олигонуклеотиды — короткие фрагменты ДНК, которые уже используются как детекторы и носители ДНК-информации. В своих экспериментах китайцы показали, что типовые одноцепочечные олигонуклеотиды хорошо работают в качестве унифицированного сигнала для передачи, что позволяет надёжно интегрировать крупномасштабные цепи с минимальной утечкой и высокой точностью для вычислений общего назначения.

«Способность интегрировать крупномасштабные сети DPGA [ДНК БИС] без явного ослабления сигнала знаменует собой ключевой шаг на пути к ДНК-вычислениям общего назначения», — заявляют исследователи.

Вычисления в пробирке. Буквально. Источник изображения: Nature

В качестве примера учёные создали схему, решающую квадратные уравнения, которая собрана с использованием трёх слоев каскадных ЦВМ, состоящих из 30 логических вентилей и содержащих около 500 нитей ДНК. Более того, интеграция DPGA с аналого-цифровым преобразователем позволит классифицировать микро-РНК, связанные с заболеваниями. Иными словами, предложенная платформа сможет не только работать как обычный компьютер, но также будет способна на мгновенную диагностику вирусных и других заболеваний. И ещё большой вопрос, которая из этих возможностей окажется наиболее полезной.

Природа придумала поразительное по плотности хранения данных решение — ДНК. Всю информацию из интернета, включая бесконечные фотографии котиков, можно записать на ДНК в объёме коробки для котика средних размеров. Учёные давно пытаются повторить этот трюк и у них даже есть успехи.

Источник изображения: Pixabay

Используя для кодирования данных на ДНК только четыре природных азотистых основания в объёме коробки для обуви можно записать 215 Пбайт данных. Но если синтезировать искусственные азотистые основания и довести их до 11 базовых кодов, то объём хранимых в «коробке» данных можно удвоить! При должном подходе эта информация может храниться миллионы лет в отличие от данных на жёстких дисках и SSD. Когда-нибудь это произойдёт, но пока исследователи решают ряд связанных с записью на ДНК проблем, в частности, это проблема разрушения данных при многократном обращении к ним и, как следствие, нарастание ошибок и потеря данных.

В новой статье в журнале Nature группа исследователей предложила интересную методику защиты и маркировки информационного ДНК-носителя, которая защищает носитель от разрушения в процессе чтения, а также облегчает сортировку ДНК-файлов и ведёт к созданию роботизированных библиотек.

Сегодня в базовом процессе работы с записанной на ДНК информацией всё происходит следующим образом: в «суп» из ДНК-носителей подаётся затравка — праймер — которая запускает реакцию ПЦР (полимеразная цепная реакция) с реплицированием нужного «файла». Каждый «файл» — это записанная нить ДНК, помеченная определённым образом, и праймер цепляется к ней и запускает процесс тиражирования. Современным инструментам по расшифровке ДНК нужны миллионы одинаковых последовательностей, чтобы надёжно расшифровать один «файл». Каждое такое «чтение» вносит ошибки и, в конечном итоге, разрушает информацию. Наконец, становится трудно работать с несколькими «файлами» одновременно.

Чтобы избежать всего этого учёные придумали заключать файл-ДНК в полимерную капсулу, но не просто так, а только при нагреве до температуры выше 50 °C. Процесс ПЦР запускается при меньшей температуре, затем при нагреве исходный «файл» прячется в капсулу и дальше всё идёт без него. Это позволяет защитить исходные данные в процессе чтения (реплицирования), а также даёт возможность присвоить каждому «файлу» свою метку — в данном случае это флюоресценция разных оттенков.

Свечение даёт возможность роботизировать каталогизацию и последующий отбор файлов — это путь к созданию библиотек. Для чтения реплицированных ДНК систему достаточно остудить и выделить из неё всё, что воспроизвелось в процессе ПЦР. Исходный ДНК-носитель в таком случае остаётся незатронутым в процесс ПЦР и не вносит в свою структуру ошибки, а цветовая метка, по которой его можно сортировать, остаётся при нём.

Микрокапсулы с ДНК, помеченные флюоресцирующими метками, под микроскопом. Источник изображения: Tom de Greef

По словам исследователей, предложенная методика позволяет считывать до 25 файлов одновременно, и теряет только 0,3 % файла после трёх считываний, а не 35 %, как при использовании существующих методов.

«Теперь остается только ждать, когда стоимость синтеза ДНК снизится еще больше, — сказал Том де Гриф (Tom de Greef), ведущий автор исследования. — Тогда техника будет готова к применению».