Anthropic pētnieki ar Claude palīdzību kartējuši pirmo ar baktēriju dzīvību saistītas “vault” daļiņas trīsdimensiju struktūru. Šīs dobās, mucveida olbaltumvielu struktūras biologi pēta gandrīz četrus gadu desmitus, tomēr to precīzais uzdevums dzīvajos organismos joprojām nav noskaidrots. Jaunais darbs atklāj līdz šim maz pētītu šādu proteīnu kompleksu atzaru un varētu vienkāršot cilvēka šūnās sastopamo “vault” izpēti.

Komandu interesēja daļiņa, kas veidota no bakteriofāga proteīna. Bakteriofāgi ir vīrusi, kas inficē baktērijas un izmanto to šūnu mehānismus. Izvēlētais proteīns L05 pats savienojās pilnā struktūrā, ko veido 96 identiskas kopijas. Daļiņa ir aptuveni 54 nanometrus gara un 45 nanometrus plata, bet tās kopējā molekulmasa sasniedz aptuveni 9,5 megadaltonus. Lai gan tā ir īsāka par zīdītāju “vault” struktūrām, tās ietilpība ir aptuveni par 25% lielāka.

Ilgi pētīts, bet joprojām neatrisināts noslēpums

“Vault” daļiņas pirmoreiz 1986. gadā identificēja Leonards Rome un Nensija Kederša. Tās ir vienas no lielākajām olbaltumvielu struktūrām cilvēka šūnās. Zīdītāju “vault” veido 78 galvenā proteīna kopijas, kas sakārtotas divās simetriskās pusēs.

To bioloģiskā funkcija joprojām nav pierādīta, lai gan pētnieki ir izvirzījuši vairākas hipotēzes. Iespējamās lomas ietver vielu transportu šūnā, rezistenci pret zālēm un aizsardzību pret imūnsistēmas iedarbību, taču eksperimenti nevienu no šīm funkcijām nav galīgi apstiprinājuši. Šādas struktūras sastopamas plašā evolūcijas koka daļā — no gļotsēnēm līdz cilvēkiem —, kas liecina par to nozīmīgumu, tomēr izpēti apgrūtina tas, ka bieži izmantotajiem laboratorijas organismiem “vault” nav.

Anthropic komanda aptuveni 15 miljardos prognozētu proteīnu sekvenču meklēja attālus radiniekus. Pētnieki atrada potenciālus “vault” proteīnus 29 lielās baktēriju grupās un četrās arheju grupās, pēc tam laboratorijā pārbaudīja 44 kandidātus. No 15 sekmīgi iegūtajiem proteīniem septiņi izveidoja “vault” līdzīgas daļiņas. Kriogēnā elektronu mikroskopija jeb cryo-EM apstiprināja četru kandidātu struktūras: divas bija baktēriju, bet divas — bakteriofāgu izcelsmes.

Struktūras izveide un Claude loma

Lai pārbaudītu, kā šīs daļiņas var palielināties, pētnieki pārveidoja L05 proteīnu. Divu atkārtojošos segmentu pievienošana radīja vēl lielāku daļiņu, kuras ietvertais tilpums pieauga par aptuveni 20%. Eksperimenti liecina, ka proteīnu dublēšanās varētu būt palīdzējusi “vault” struktūrām evolūcijas gaitā iegūt atšķirīgus izmērus. Tie arī parādīja, ka nelielas izmaiņas uzbūvē var kavēt daļiņas pienācīgu aizvēršanos.

Claude tika izmantots dažādos darba posmos — no piemērotu proteīnu meklēšanas un DNS dizaina līdz attīrīšanai un mikroskopijas datu analīzei. Būtisku laika ietaupījumu deva daļiņu izolēšanas procesa pārveide. Tradicionālās attīrīšanas metodes aizņem aptuveni trīs dienas, bet komanda izstrādāja uz hromatogrāfiju balstītu paņēmienu, kas procesu saīsināja līdz aptuveni 90 minūtēm. Claude palīdzēja izvēlēties piemērotu aprīkojumu un optimizēt eksperimentālo procedūru.

Pētnieki sistēmu izmantoja arī cryo-EM datu apstrādei. Pirmais pilnais struktūras modelis tika iegūts 34 stundu laikā, lai gan parastā analīze, pēc komandas aplēsēm, varētu ilgt vairākas nedēļas. Claude tomēr nedarbojās autonomi — zinātniekiem bija jāuzrauga tā darbs, jālabo kļūdas un jāpieņem galīgie lēmumi.

Ieguvumi un ierobežojumi

Darbs atklāja arī mākslīgā intelekta sistēmas ierobežojumus. Vienā eksperimentālajā protokolā tika izmantota piedeva, kas traucēja DNS nogādāšanai šūnās, un šī kļūda aizkavēja pētījumu par divām nedēļām. Citā gadījumā Claude izveidoja neprecīzu struktūras karti, jo izlaida vienu standarta datu apstrādes soli.

Pētnieki šīs problēmas novērsa, pastiprinot uzraudzību. Viņi arī dalījās ar laboratorijā novērotajām kļūmēm ar Claude izstrādes komandu, lai uzlabotu sistēmas turpmāko darbību. Tādējādi pētījums parādīja gan ievērojamu laika ietaupījumu, gan nepieciešamību saglabāt cilvēku kontroli sarežģītā bioloģiskā darbā.

Galvenais jautājums — ko “vault” daļiņas patiesībā dara dzīvajos organismos — joprojām nav atrisināts. Viens no to sākotnējiem atklājējiem Leonards Rome šo problēmu raksturojis kā ārkārtīgi sarežģītu. Jaunā struktūra pētniekiem piedāvā vēl vienu ceļu atbildes meklēšanai, taču šo olbaltumvielu bioloģija joprojām lielā mērā paliek neizpētīta.