Algorytmy robotyki wykorzystane zostały w odkrywaniu nowych leków

Naukowcy z Institute for Protein Design Uniwersytetu w Waszyngtonie odkryli wiele potencjalnych leków, posługując się algorytmem komputerowym wykorzystywanym pierwotnie do poruszania się robotów. Nowe cząstki znane jako makrocykle mają bardzo atrakcyjne właściwości farmaceutyczne. Mogą okazać się skuteczna w walce z rakiem, chorobami układu krążenia, przewlekłymi stanami zapalnymi oraz zakażeniami.

Algorytmy robotyków

Wśród ludzi, mózg koordynuje wszystkie najdrobniejsze szczegóły związane z ruchem, nie wymagając przy tym świadomej uwagi. Inaczej wygląda to u robotów, których ruch jest bardzo niezręczny a obliczania kinematyki ruchu, stanowią trudny orzech do zgryzienia dla inżynierów.

Algorytmy wykorzystywane do kierowania robotycznymi kończynami są niesamowicie zawiłe i same w sobie stanowią obszerną dziedzinę naukową. Ferdinand Freudenstein, praojciec robotyki, nazwał kiedyś obliczenia leżące u podstaw ruchu kończyny z siedmioma stawami – „Mount Everestem kinematyki”.

Algorytm zainspirowany robotyką

Biologowie molekularni spostrzegli, że wiele cząsteczek w żywych komórkach można modelować jak łańcuchy z pewnymi stopniami swobody, tak jakby to były maleńkie robotyczne ramiona. Takie obliczenia przeprowadza się, aby dokładnie przewidzieć złożony kształt cząstek, które wyginają się i skręcają zgodnie z prawami chemii.

„Podobnie jak w przypadku kluczy, dokładny kształt tych cząstek ma znaczenie. Zbuduj jedną o odpowiedniej strukturze i możesz odkryć nowy lek.” – powiedział Gaurav Bhardwaj, lider tych badań.

Modelowanie rzeczywistych struktur jest jedną z najtrudniejszych części projektowania makrocykli, ale dzięki wysokiej skuteczności algorytmu zainspirowanego robotyką zespół był w stanie uzyskać wiele prawdopodobnych struktur tych cząstek przy stosunkowo niskich kosztach obliczeniowych.

Makrocykle – obiecująca klasa nowych leków

Podczas gdy większość peptydów tworzy łańcuchy proste, makrocykle peptydowe tworzą pierścienie. Taki kształt z farmakologicznego punktu widzenia daje im sporo zalet. Struktury pierścieniowe są mniej elastyczne niż łańcuchy proste, co sprawia, że makrocykle są wyjątkowo stabilne, a ponieważ brakuje im wolnych końców, skutecznie opierają się szybkiej degradacji w ciele.

Naturalne makrocykle, takie jak cyklosporyna, należą do jednych z najsilniejszych do tej pory odkrytych. Łączą one zalety stabilności małocząsteczkowych leków, takich jak kwas acetylosalicylowy, oraz specyfikę działania dużych przeciwciał, takich jak herceptyna. Eksperci w branży farmaceutycznej uważają tę kategorię związków za bardzo atrakcyjną i niedocenianą.

W przyrodzie istnieje ogromna różnorodność makrocykli. Znajdują się one w bakteriach, roślinach, niektórych ssakach a natura ewoluowała je dla swoich własnych potrzeb. Wiele naturalnych makrocykli są toksynami, na przykład cyklosporyna wykazuje aktywność przeciwgrzybiczą, ale jednocześnie działa jako silny środek immunosupresyjny. Dzięki tym właściwościom jest wykorzystywana w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów oraz zapobieganiu odrzucenia przeszczepionych narządów.

Obliczenia przeprowadzone za pomocą smartfonów

Większość prac nie wymagała superkomputera, jak to zwykle bywa w dziedzinie inżynierii molekularnej. Zamiast tego tysiące smartfonów należących do wolontariuszy połączono w sieć w celu utworzenia rozproszonej sieci komputerowej, a obliczenia naukowe zostały podzielone na części.

200 nowych leków

Po zakończeniu wstępnych obliczeń zespół przeanalizował wyniki w postaci zbioru setek nigdy wcześniej nieznanych makrocykli. Gdy kilkanaście takich cząstek zostało chemicznie zsyntetyzowanych w laboratorium, wykazano, że dziewięć faktycznie przyjmuje przewidywaną strukturę. Innymi słowy, smartfony dokładnie przewidziały budowę cząstek, którą naukowcy mogą teraz wykorzystać pod kątem konkretnego celu terapeutycznego. Wiele z nowo zaprojektowanych makrocykli zawiera cechy, które do tej pory były nieznane. Zespół szacuje, że dzięki badaniom liczba makrocykli, które mogą posłużyć jako punkt wyjścia do projektowania nowych leków, osiągnie liczbę ponad 200.

Do tej pory makrocykliczne leki okazały się obiecujące w walce z rakiem, chorobami sercowo-naczyniowymi, stanami zapalnymi i infekcjami. Dzięki matematyce, robotyce, smartfonom oraz przyjęcia pewnego interdyscyplinarnego myślenia pacjenci mogą wkrótce otrzymać zupełnie nową klasę leków.

Jeśli ten artykuł nie zaspokoił jeszcze twojej ciekawości, poczytaj o zastosowaniu mocy obliczeniowej komputerów w odrywaniu nowych leków.

Daj znać, jeśli spodobał Ci się artykuł oraz napisz komentarz, aby czytelnicy mogli poznać Twoją opinię.