Представьте, что вы тянете китайскую ловушку для пальцев. Чем сильнее вы тянете, тем крепче она сжимается. Такое парадоксальное поведение существует и в биологии. Определённые белковые комплексы могут образовывать «ловушки», усиливая свою хватку при приложении силы. Эти взаимодействия играют важную роль в различных процессах — от прикрепления бактерий к нашим клеткам до удержания тканей в нашем теле вместе при стрессе.
Однако фундаментальная загадка оставалась нерешённой: нужно ли растягивать «ловушки» до определённого порога, прежде чем они усилятся, или они активируются сразу при приложении силы?
В новом исследовании доктор Марсело Мело (Colorado State University, ранее Auburn) и доктор Рафаэль Бернарди (Auburn University) дают ответ на этот вопрос. Сочетая крупномасштабное молекулярное моделирование с искусственным интеллектом, они обнаружили, что «ловушки» активируются почти сразу после приложения силы.
Их статья «Искусственный интеллект раскрывает быструю активацию ловушек под действием силы» опубликована в журнале Journal of Chemical Theory and Computation.
Чтобы решить эту проблему, команда смоделировала поведение бактериального белкового комплекса под названием «целлюлозомы», одной из самых прочных систем «ловушек», известных в природе. Используя управляемую молекулярно-динамическую симуляцию — по сути, вычислительный микроскоп, который растягивает молекулы атом за атомом, — они создали сотни «фильмов» высокого разрешения с изображением белка под напряжением.
Затем для прогнозирования момента разрыва белкового комплекса были обучены модели регрессии искусственного интеллекта. Удивительно, но ИИ мог делать точные прогнозы, используя лишь короткие фрагменты данных моделирования, задолго до фактического разрыва связи.
«Это подсказало нам, что белки уже „решают“, какой у них будет уровень устойчивости, сразу после начала натяжения», — сказал доктор Бернарди, доцент кафедры физики в Auburn University. «Механизм „ловушки“ активируется практически мгновенно».
Понимание «ловушек» — это не просто любопытство. Они играют центральную роль в том, как бактерии, такие как Staphylococcus aureus, сопротивляются вымыванию, как наши иммунные клетки прикрепляются к кровеносным сосудам и как ткани, такие как хрящ, выдерживают постоянный механический стресс.
«Это системы, в которых жизнь научилась использовать силу как преимущество», — объяснил доктор Бернарди. «Изучая их, мы можем разработать новые биоматериалы, клеи и даже стратегии лечения, которые работают с механическим стрессом, а не против него».
Исследование также подчёркивает возможности искусственного интеллекта для обработки сложных биологических данных. Вместо того чтобы полагаться на статические структуры, модели улавливают динамические закономерности движения на белковых интерфейсах, находя тонкие сигналы, предсказывающие стабильность.
«Это захватывающе, потому что показывает, что ИИ может обнаруживать ранние признаки устойчивости, которые человек мог бы упустить», — сказал доктор Бернарди. «Это открывает двери для использования этих инструментов в разработке лекарств, биоматериалов и синтетической биологии».
Исследование демонстрирует растущую роль вычислительной биофизики на стыке искусственного интеллекта и биологии. «Этот проект показывает, как физика, биология и искусственный интеллект могут объединиться, чтобы ответить на вопросы, которые ни один из нас не смог бы решить в одиночку», — сказал доктор Бернарди.
Предоставлено Auburn University.