ИИ раскрыл секрет прочных белковых связей в природе

Белки могут формировать «ловушковые связи», которые усиливаются под нагрузкой, подобно китайской головоломке для пальцев. Используя искусственный интеллект и молекулярное моделирование, учёные из Обернского университета выяснили, как эти связи укрепляются почти мгновенно, что открывает новые возможности для медицины и материаловедения. Автор: Рафаэль К. Бернарди — физика, Обернский университет

Представьте, что вы тянете за китайскую головоломку для пальцев. Чем сильнее вы тянете, тем туже она сжимается. Это нелогичное поведение существует и в биологии. Некоторые белковые комплексы способны формировать ловушковые связи (catch-bonds), усиливая своё сцепление при приложении силы. Эти взаимодействия важны для процессов — от прикрепления бактерий к нашим клеткам до того, как ткани нашего тела выдерживают нагрузку.

Но оставался фундаментальный вопрос: нужно ли растягивать ловушковые связи до определённого порога, прежде чем они укрепятся, или они активируются сразу после приложения силы?

В новом исследовании доктор Марсело Мело (Университет штата Колорадо, ранее Обернский университет) и доктор Рафаэль Бернарди (Обернский университет) дали ответ. Комбинируя крупномасштабное молекулярное моделирование с искусственным интеллектом, они обнаружили, что ловушковые связи «включаются» почти мгновенно после приложения силы.

Их статья «ИИ раскрывает быстрое активирование ловушковых связей под действием силы» опубликована в Journal of Chemical Theory and Computation.

ИИ в роли молекулярного детектива

Чтобы решить эту задачу, команда смоделировала поведение бактериального белкового комплекса под названием целлюлосомы — одной из самых прочных систем ловушковых связей в природе. Используя направленное молекулярно-динамическое моделирование — по сути, вычислительный микроскоп, который растягивает молекулы атом за атомом — они создали сотни высокодетализированных «фильмов» о белке под нагрузкой.

Затем модели регрессии ИИ обучали предсказывать, когда белковый комплекс разорвётся. Неожиданно ИИ смог делать точные прогнозы, используя лишь короткие фрагменты данных моделирования, задолго до фактического разрыва связи.

«Это говорит о том, что белки уже «решают» свой уровень устойчивости сразу после начала растяжения, — пояснил доктор Бернарди, доцент кафедры физики Обернского университета. — Механизм ловушковой связи активируется почти мгновенно».

Понимание ловушковых связей — не просто любопытный факт. Они играют ключевую роль в том, как бактерии вроде Staphylococcus aureus сопротивляются смыванию, как наши иммунные клетки прилипают к кровеносным сосудам и как такие ткани, как хрящи, выдерживают постоянное механическое напряжение.

«Это системы, в которых жизнь научилась использовать силу как преимущество, — объяснил доктор Бернарди. — Учась у них, мы можем разрабатывать новые биоматериалы, клеи и даже стратегии лекарственной терапии, которые работают с механическим напряжением, а не против него».

Новый план для биоинженерии

Исследование также подчёркивает способность ИИ осмысливать сложные биологические данные. Вместо того чтобы полагаться на статические структуры, модели улавливали динамические паттерны движения на границах белков, находя тонкие сигналы, предсказывающие стабильность.

«Это захватывающе, потому что показывает, что ИИ может обнаруживать ранние признаки устойчивости, которые люди упустили бы, — сказал доктор Бернарди. — Это открывает двери для использования этих инструментов в дизайне лекарств, биоматериалов и синтетической биологии».

Исследование демонстрирует растущую роль вычислительной биофизики на стыке ИИ и биологии. «Этот проект показывает, как физика, биология и искусственный интеллект могут объединиться, чтобы ответить на вопросы, которые никто из нас не смог бы решить в одиночку», — отметил доктор Бернарди.

Больше информации: Marcelo C. R. Melo et al, AI Uncovers the Rapid Activation of Catch-Bonds under Force, Journal of Chemical Theory and Computation (2025). DOI: 10.1021/acs.jctc.5c01181

Источник: Auburn University