Araştırmacılar, doğal enzimlerin temel özelliği olan çok adımlı reaksiyonları gerçekleştirebilen yepyeni enzimleri tasarlamak için yapay zekâ (AI) kullandılar. Geliştirilen yapılar, plastik geri dönüşümü de dahil olmak üzere birçok biyolojik ve endüstriyel süreç için hayati öneme sahip dört adımlı kimyasal bir reaksiyonu hızlandırdı.
Yazan: Emine Akcaoğlu
Araştırmacılar, doğal enzimlerin temel özelliği olan çok adımlı reaksiyonları gerçekleştirebilen yepyeni enzimleri tasarlamak için yapay zekâ (AI) kullandılar. Geliştirilen yapılar, plastik geri dönüşümü de dahil olmak üzere birçok biyolojik ve endüstriyel süreç için hayati öneme sahip dört adımlı kimyasal bir reaksiyonu hızlandırdı. Araştırmacılar, çalışmalarına daha önce sıfırdan yeni enzim yapıları üretmek için geliştirdikleri bir program olan RFdiffusion adlı bir AI aracıyla başladılar. Daha sonra reaksiyonun her adımında, enzimdeki atomların ve bağlandığı moleküllerin yerlerini modellediler. Yapısal tasarımı iyileştirmek için PLACER adlı derin bir sinir ağı oluşturdular. Yeni enzimleri oluşturmak için RFdiffusion ve PLACER gibi çeşitli makine öğrenme yaklaşımlarını birleştirdiler; enzimin aktif bölgelerinin her reaksiyon adımını gerçekleştirmek için uygun olup olmadığını kontrol eden AI ile yeni enzimler, benzer şekilde çalışmak üzere daha önce tasarlananlara kıyasla reaksiyonu hızlandırmada 60.000 kat daha iyi performans gösterdi. Bu başarı; AI’nın pratik kullanıma uygun, doğala benzer aktiviteye sahip enzimler tasarlamada önemli bir ilerleme olduğunu gösterdi.
Yapay zekâ ile tasarlanan yeni enzimlerin, bu reaksiyonu daha önce tasarlanmış benzer enzimlere göre 60.000 kat daha iyi hızlandırması AI’nın enzim mühendisliğindeki potansiyelini göstermektedir.
AI ile tasarlanan enzimler; serin hidrolizi adı verilen, yukarıda bahsi geçen, dört adımlı bir kimyasal reaksiyonu hızlandırdı. Bu reaksiyon, moleküller arasındaki bir ester bağının kırılması ile gerçekleşti ve serin hidrolazlar adı verilen doğal enzimler tarafından gerçekleştirildi. Serin hidroliz enzimleri, sindirim, yağların metabolizması ve kanın pıhtılaşması dahil olmak üzere birçok biyolojik süreçte rol oynarlar. Yapay zekâ ile tasarlanan yeni enzimlerin, bu reaksiyonu daha önce tasarlanmış benzer enzimlere göre 60.000 kat daha iyi hızlandırması AI’nın enzim mühendisliğindeki potansiyelini göstermektedir.
AI enzimleri, önceki tasarımlara göre çeşitli yenilikçi yaklaşımlarla geliştirilmiştir. Önceki AI tabanlı enzim tasarım girişimleri genellikle reaksiyonun ilk adımında dururken yeni çalışmalarda çeşitli makine öğrenimi yaklaşımları birleştirilerek bu zorluğun üstesinden gelinmiştir. Bu sayede AI ile tasarlanan yeni enzimler, doğal enzimlerin temel bir özelliği olan çok adımlı reaksiyonları gerçekleştirebilir hale gelmiştir.
Önceki yaklaşımlar, mevcut enzimlerin yapısını değiştirerek yeni işlevler oluşturmaya odaklanırken AI ile enzimler sıfırdan tasarlanabilmektedir.
Araştırmacıların enzimlerin yapısal tasarımını iyileştirme sürecinde PLACER adı verilen derin bir sinir ağı kullandıklarından bahsetmiştik. PLACER, enzimde bulunan atomların ve reaksiyonun her adımında bağlandığı moleküllerin yerlerini modelleyerek çalışır. Ayrıca, enzimin aktif bölgelerinin (moleküllerle etkileşime giren kısımlar) uyumlu olup olmadığını ve reaksiyonun her adımını gerçekleştirmek için uygun şekilde düzenlenip düzenlenmediğini kontrol eder. Bu sayede enzimin her adımda doğru şekilde çalışması sağlanır. RFdiffusion ve PLACER yapay zeka programları bu modellemelerin yüksek başarı oranı taşımasına olanak tanır. Zou’ya göre PLACER bir “filtre” gibi çalışır ve enzimin aktif bölgelerinin (moleküllerle etkileşime giren kısımlar) uyumlu olup olmadığını ve reaksiyonun her adımını gerçekleştirmek için uygun şekilde düzenlenip düzenlenmediğini kontrol eder. Zhao, bunu “çok yenilikçi” olarak değerlendirmektedir.
Önceki yaklaşımlar, mevcut enzimlerin yapısını değiştirerek yeni işlevler oluşturmaya odaklanırken AI ile enzimler sıfırdan tasarlanabilmektedir. Bu sayede, ihtiyaçlara özel ve daha verimli enzimler üretmek mümkün hale gelmiştir. Anna Lauko’nun benzetmesiyle bu durum “ikinci el dükkanından bir takım elbise almak” yerine kişiye özel dikilmiş bir takım elbise gibidir.
Yapay zekâ, enzim tasarımında şu sorunu çözmüştür: Daha önceki yapay zekâ ile sıfırdan enzim tasarlama çabaları, genellikle bir reaksiyonun ilk adımından sonra duran enzimler ürettiği için sınırlı başarıya sahipti. Yeni çalışmalarda ise, araştırmacılar çeşitli makine öğrenimi yaklaşımlarını birleştirerek bu zorluğun üstesinden gelmeyi başarmışlardır.
Yapay zekâ (AI) kullanılarak tasarlanan yeni enzimlerin potansiyel endüstriyel ve biyolojik etkileri şunlardır: Doğal enzimlerin temel bir özelliği olan çok adımlı reaksiyonları gerçekleştirebilen yepyeni enzimler tasarlanabilmektedir. Plastik geri dönüşümü dahil olmak üzere birçok biyolojik ve endüstriyel süreçte önemli bir kimyasal reaksiyonu hızlandırmaktadır. Yerli benzeri aktiviteye sahip enzimler tasarlanabilmektedir. Bu, enzim mühendisliğinde bir kilometre taşıdır ve artık pratik olarak faydalı olabilecek yerli benzeri aktiviteye sahip enzimler tasarlamanın mümkün olduğunu göstermektedir.
Yapısal iyileştirmeler
Araştırmacılar, yeni enzimlerin oluşturulması umut verici olsa da henüz doğal serin hidrolazlar kadar etkili olmadıklarını vurguluyor. Enzimlerin yapılarının daha ince ayarlanmasının hızlarını ve verimliliklerini artıracağını ve teknolojiyi gerçek dünya uygulamalarına bir adım daha yaklaştıracağını umuyorlar. Lauko, “Bu ilkelerin hepsini kullanarak … plastiği parçalamak için serin hidrolazlar tasarlamaya çalışabiliriz,” diyor.
“Sınırlamalar temelde sadece hayal gücünüzdür; her şeyi tasarlayabilirsiniz.”
İspanya, Barselona’daki Genomik Düzenleme Merkezi’nde AI protein tasarımı konusunda uzmanlaşmış Noelia Ferruz, çalışmadaki AI araçlarının bir gün doğada bulunmayan tamamen yeni kimyasal reaksiyonlar gerçekleştirebilen enzimler tasarlamak için kullanılabileceğini söylüyor. “Sınırlamalar temelde sadece hayal gücünüzdür; her şeyi tasarlayabilirsiniz.”
