科学家创造了“生物人工智能”系统

澳大利亚科学家成功开发出一种研究系统，该系统利用“生物人工智能”直接在哺乳动物细胞中设计和进化具有新功能或改进功能的分子。研究人员表示，该系统代表着一种强大的新工具，可以帮助科学家开发更具体、更有效的研究药物或基因疗法。

该系统名为PROTEUS（蛋白质进化选择法），采用一种名为“定向进化”的方法，这是一种模拟自然进化力的实验室技术。它不是耗费数年或数十年的时间，而是加快了进化和自然选择的周期，只需几周就能创造出具有新功能的分子。

这可能对寻找新的、更有效的药物产生直接影响。例如，该系统可用于改进CRISPR等基因编辑技术，使其更加有效。

“这意味着 PROTEUS 可用于生成适合在我们体内发挥作用的新分子，我们可以创造出使用现有技术难以或不可能创造的新药，”研究报告的共同作者、悉尼大学 John and Anne Chong 功能基因组学实验室负责人 Greg Neely 教授说。

“我们工作的新颖之处在于定向进化主要在细菌细胞中进行，而PROTEUS可以在哺乳动物细胞中进化分子。”

PROTEUS 系统可以解决具有不确定性解决方案的问题——类似于用户在人工智能平台中输入查询的方式。例如，问题可能是如何有效地“关闭”人体内的疾病基因。

然后，PROTEUS 利用定向进化探索数百万种自然界中尚不存在的可能序列，并找到具有高度针对性特性的分子。这意味着 PROTEUS 能够找到人类研究人员需要花费数年时间才能找到的解决方案——如果他们真的能够找到的话。

科学家们报告称，借助PROTEUS，他们开发出了更易于药物调控的蛋白质改良版本，以及能够检测DNA损伤（DNA损伤是导致癌症发展的重要过程）的纳米抗体（抗体的微型版本）。然而，正如作者所强调的，PROTEUS的应用并不仅限于此：它可以用于改善大多数蛋白质和分子的功能。

研究结果发表在《自然通讯》杂志上。这项研究由悉尼大学查尔斯·珀金斯中心与百年研究所的研究人员合作完成。

分子机器学习的发现

定向进化方法最初是在细菌中实现的，并因此获得了2018年诺贝尔化学奖。

“定向进化的发明改变了生物化学的进程。现在，有了PROTEUS，我们可以对哺乳动物细胞进行编程，使其解决我们尚无现成答案的遗传问题。如果我们让这个系统持续运行，我们就可以定期监测它解决问题的方式，”首席研究员、查尔斯·珀金斯中心和生命与环境科学学院的克里斯托弗·丹尼斯博士说道。

Denes 和他的团队面临的主要挑战是如何使哺乳动物细胞能够适应多次进化和突变，同时保持其稳定性并防止系统通过寻找无法满足当前任务的简单解决方案而“作弊”。

科学家们找到了一种解决方案，即使用嵌合病毒样颗粒，这种设计由一种病毒的外壳和另一种病毒的基因组成。这种设计可以防止系统“作弊”。

该设计结合了两种截然不同的病毒家族的元素，创造了“两全其美”的解决方案。最终的系统允许细胞并行处理许多不同的可能解决方案，其中改进的解决方案占据主导地位，而错误的解决方案则会消失。

“PROTEUS 稳定可靠，并且已在独立实验室得到验证。我们鼓励其他研究团队也使用这种方法。我们希望通过 PROTEUS 促进新一代酶、分子工具和疗法的开发。” Denes 博士说道。

“我们已经向科研界开放了这个系统，并期待看到它的实际应用。我们的目标是改进基因编辑技术，并改进mRNA药物，使其发挥更强效、更特异的作用。” Neely教授补充道。