温度を測定するセンサーや、動きや光を検出するセンサーもあります。私たちはそれらをポケットに入れたり、車の中に入れたり、家に入れたりします。地球上には合計で約 400 億個のセンサーがあると推定されています。これに、平均的なスマートフォンには約 20 個のセンサー (加速度計、ジャイロスコープ、光センサー、GPS など) が搭載されており、自動車には 70 個のセンサーが搭載されており、それらすべてのセンサーから毎日 4 億 200 万テラバイト以上のデータが生成されます… その情報は 5 億枚以上の CD に収まる情報になります。ただし、それらはすべて 1 つの制限を共有しています。 それらは私たちの体の外側、最も重要なプロセスが実際に行われる場所の外側にあります。
今回、クイーンズランド工科大学のキリル・アレクサンドロフ率いる国際チームは、逆の方向への一歩を踏み出しました。それは、生命の仕組み自体の中で動作できるほど小さなセンサーを作成することです。これらは小型デバイスではなく、より根本的なものです。 人工知能によって設計されたタンパク質。
タンパク質は本質的には細胞の道具です。彼らは検出し、反応し、変換します。 生物の中で起こるすべてのことは、何らかの形で生物を通過します。 したがって、長年にわたり、合成生物学の大きな目的の 1 つは、特定のシグナルを検出して応答を活性化できるタンパク質を設計することでした。
問題は、最近まで科学者は自然界にすでに存在するタンパク質しか改変できなかったことです。それは古いモデルから蛇口を作ろうとするようなもので、調整はできますが、完全に新しいものを作ることはできません。ここで人工知能が登場します。
Alexandrov のチームは、機械学習モデルを使用して、特定の分子を認識できるタンパク質を設計しました (小さな化合物から他のタンパク質まで）そしてそうすることで彼らの行動を変えます。その変化が鍵です。
これらのタンパク質が標的を「検出」すると、活性化されます。そして、その活性化は、色の変化、光の放射、さらには電気信号など、目に見える信号に変換できます。測定できるもの。つまり、次のようになります。 スイッチのように働く分子。 しかも単なるスイッチではなく、プログラム可能なスイッチです。
Nature Biotechnology に掲載された研究で、アレクサンドロフ氏のチームは、これらのセンサーが細菌などの生きた細胞内で機能し、電子システムにも統合できることを示しました。ある実験では、 彼らは、血糖計と同様のメカニズムで、これらのタンパク質を電極に接続して電気信号を生成しました。
しかし、おそらく最も興味深いのは、彼らが何をするかではなく、どのようにそれを行うかです。何十年もの間、センサーとして機能するタンパク質は、錠前を回す鍵のように、活性化するには大幅に形状を変える必要があると考えられていました。この研究は、別のことを示唆しています。 必要なのは、ダイナミクスの微妙な変化、パーツの動きのわずかな調整だけです。
「センサータンパク質がスイッチとして機能するには、形状が大きく変化する必要があると考えられていました – アレクサンドロフ氏も確認しました – 我々は、これらの人工受容体が抜本的な構造再構成を必要としないことを発見しました。代わりに、 標的分子の結合はタンパク質の動きを微妙に変化させますが、これはタンパク質の活性を活性化するのに十分です。 「これにより、天然のタンパク質制御がどのように機能するかについて新たな洞察が得られ、有用なバイオセンサーを設計するための強力な新しい戦略が提供されます。」
その一見技術的な詳細は、ゲームのルールを変えます。それは設計が簡素化され、ほぼオンデマンドでカスタム センサーを作成できるようになるからです。 アプリケーションはすぐに想像できるほど広範囲に渡ります。一滴の血液から病気を検出できるポータブルデバイス。汚染物質をリアルタイムで監視するシステム。特定の化学シグナルに反応して生物学的プロセスを活性化または不活性化するように設計された細胞。しかし、もっと深いことがあります。 これまで測定といえば、外から観察することを意味していました。この進歩は、内部から測定するという別の可能性を示しています。
