Forskare har med hjälp av artificiell intelligens (AI) återskapat viruspartiklars komplexa strukturer och utvecklat en banbrytande terapeutisk plattform. Fynden, som publicerades i Nature den 18 december, öppnar nya möjligheter för medicinska tillämpningar – från genterapi till precisionsbehandlingar. Tekniken kan på sikt revolutionera hur vi tar fram framtidens läkemedel.
Hur påverkar du klimatet?
Testa ClimateHero – en snabb och gratis klimatkalkylator baserad på vetenskap.
Svara på några enkla frågor och få personliga tips för att minska ditt klimatavtryck – ofta med fördelar för både hälsa och plånbok.
Gör testet genom att klicka på länken nedan – och stöd samtidigt Mikroskops arbete med att göra ny forskning om kroppen tillgänglig för fler.
Virus är naturligt designade för att kapsla in genetiskt material i sfäriska proteinhöljen, vilket gör att de kan reproducera sig och infektera värdceller – ofta med sjukdom som följd. Denna unika förmåga har inspirerat forskare att utveckla artificiella proteiner, så kallade ”nanoburar”, som kan leverera terapeutiska gener till specifika celler.
Trots sin potential har viruspartiklarnas nanoburar dock begränsningar: deras lilla storlek gör att de inte kan bära tillräckligt med genetiskt material, och deras enkla design misslyckas med att efterlikna de mångsidiga funktionerna hos naturliga virala proteiner.
För att åtgärda dessa problem har forskarteamet bakom denna nya studie använt sig av AI vilket möjliggjort skapandet av mer komplexa och funktionella strukturer.
Studien publicerades den 18 december i den väl ansedda vetenskapliga tidskriften Nature.
Fakta. Virusets nanobur
”Nanoburar” är ett begrepp som ibland används för att beskriva viruspartiklars yttre strukturer, särskilt de som består av proteiner som organiseras i ett mönster för att kapsla in det genetiska materialet, ofta i form av RNA eller DNA. Dessa strukturer kan påminna om små burar på nanoskala, därav termen ”nanoburar”.
AI återskapar virusens subtila asymmetrier
De flesta virus uppvisar symmetriska strukturer, men de innehåller även subtila asymmetrier som är viktiga för deras funktion. Genom att utnyttja AI lyckades forskarna återskapa dessa detaljer och designa nanoburar i nya geometriska former, såsom tetraedriska, oktaedriska och ikosaedriska former – något som aldrig tidigare gjorts.
De framtagna nanostrukturerna består av fyra olika typer av artificiella proteiner och bildar intrikata arkitekturer med sex distinkta protein-protein-gränssnitt. Den ikosaedriska strukturen, som kan vara upp till 75 nanometer i diameter, har förmågan att hålla tre gånger mer genetiskt material än traditionella genleveransvektorer som adenoassocierade virus (AAV), vilket representerar ett stort framsteg inom genterapi.
Genom elektronmikroskopi fick forskarna också bekräftat att de AI-designade nanoburarna hade den avsedda symmetriska strukturen. Funktionella experiment visade dessutom att de effektivt kan leverera terapeutiska laster till specifika celler, vilket öppnar upp för nya medicinska tillämpningar och behandlingar.
Framtidens medicin – driven av AI och innovation
– Framsteg inom AI har öppnat dörren till en ny era där vi kan designa och sätta samman artificiella proteiner för att möta mänsklighetens behov, säger professor Sangmin Lee, studiens försteförfattare, i ett pressmeddelande.
– Vi hoppas att denna forskning inte bara påskyndar utvecklingen av genterapier utan också leder till genombrott inom nästa generations vacciner och andra biomedicinska innovationer.
Fakta: Virus som biologiska förebilder
Virus är bland naturens mest effektiva system för att leverera genetiskt material till levande celler. Under evolutionens gång har de utvecklat kompakta, smarta lösningar för att kapsla in och skydda sitt RNA eller DNA – samtidigt som de tar sig förbi kroppens försvarssystem och tränger in i målorganismer med kirurgisk precision.
Det som gör virus så intressanta ur ett biotekniskt perspektiv är deras proteinhöljen, ofta kallade kapsider, som fungerar som nanoburar i naturlig form. Dessa strukturer är oftast sfäriska eller polyedriska och bygger på exakt symmetri – en egenskap som bidrar till både stabilitet och funktionalitet. Men det är inte bara symmetrin som spelar roll. Forskare har på senare år upptäckt att även små asymmetrier i virusens struktur kan vara avgörande för hur effektivt viruset fungerar, till exempel vid cellinträde eller genfrisättning.
I takt med att den syntetiska biologin har utvecklats har forskare börjat använda virus som förebilder för att designa egna biologiska vektorer. Målet är att skapa konstgjorda partiklar som kan efterlikna virusens effektivitet – men utan de nackdelar som följer med virusbaserade behandlingar, som immunreaktioner eller begränsad lastkapacitet.
Den aktuella studien visar hur artificiell intelligens (AI) gör det möjligt att inte bara efterlikna utan överskrida naturens konstruktioner. Genom AI-baserad proteinmodellering kan forskare nu skapa helt nya former – som tetraedrar, oktaedrar och ikosaedrar – och dessutom bygga in funktioner som är omöjliga att uppnå med naturliga virus.
Att kombinera virusens strukturella principer med AI:s designkraft skapar nya möjligheter för framtidens läkemedel och medicin, särskilt inom områden som genterapi, vaccinutveckling och precisionsmedicin. Det handlar alltså inte bara om att förstå naturen – utan att använda den som språngbräda för att skapa något ännu mer avancerat.
Publikation
Sangmin Lee, Ryan D. Kibler, Green Ahn, Yang Hsia, Andrew J. Borst, Annika Philomin, Madison A. Kennedy, Buwei Huang, Barry Stoddard, David Baker. Four-component protein nanocages designed by programmed symmetry breaking. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07814-1
Ta del av mer intressant forskning här.
