Um software de inteligência artificial desenvolvido para projetar proteínas também pode ser usado para criar medicamentos, vacinas e tratamentos contra o câncer. Pesquisadores de Harvard e da Escola de Medicina da Universidade de Washington (UW Medicine) desenvolveram um software de inteligência artificial (IA) que usa aprendizado de máquina para projetar proteínas com várias funções, algumas das quais podem ser usadas na criação de medicamentos, vacinas e tratamentos médicos.
O design de proteínas, também conhecido como engenharia de proteínas, é um processo pelo qual os pesquisadores criam proteínas com propriedades funcionais aprimoradas ou novas. Essas proteínas projetadas têm vários usos, mas muitas são usadas em pesquisas médicas para projetar vacinas à base de proteínas, como algumas vacinas Covid-19 ou tratamentos médicos para doenças como câncer.
No passado, os pesquisadores usaram computadores para tentar projetar proteínas para pesquisa, mas esse é um processo difícil, de acordo com o comunicado de imprensa. Como uma única molécula de proteína pode conter milhares de átomos ligados, as proteínas criadas em laboratório são difíceis de projetar e estudar.
Esses desafios estimularam a equipe de pesquisa a procurar soluções alternativas. Inspirados pelo aprendizado de máquina e sua capacidade de gerar imagens a partir de prompts, os pesquisadores decidiram construir um algoritmo semelhante para o design de proteínas.
“A ideia é a mesma: as redes neurais podem ser treinadas para ver padrões nos dados. Uma vez treinado, você pode dar um prompt e ver se ele pode gerar uma solução elegante. Muitas vezes, os resultados são atraentes – ou até bonitos”, disse o principal autor Joseph Watson, um estudioso de pós-doutorado na UW Medicine.
Os pesquisadores treinaram suas redes neurais usando dados extraídos do Protein Data Bank, um repositório público de estruturas de proteínas. A partir dessas redes, os pesquisadores desenvolveram duas abordagens para projetar proteínas com novas funções.
A primeira, rotulada como “alucinação”, é semelhante a outras ferramentas de IA que geram novas saídas com base em entradas simples. O segundo, chamado “inpainting”, é como o recurso de preenchimento automático encontrado na barra de pesquisa dos mecanismos de pesquisa online. As redes “alucinam” uma nova proteína usando um método semelhante ao modo como um autor escreve um livro, afirma o comunicado de imprensa.
“Você começa com uma variedade aleatória de palavras – sem sentido total”, explicou o principal autor Jue Wang, um estudioso de pós-doutorado na UW Medicine. “Aí você impõe um requisito como aquele no parágrafo de abertura, precisa ser uma noite escura e tempestuosa. Então o computador mudará as palavras uma de cada vez e se perguntará ‘Isso faz minha história fazer mais sentido?’ Se fizer, ele mantém as mudanças até que uma história completa seja escrita.
Usando essa analogia, o comunicado de imprensa continua, as proteínas podem ser pensadas como longas sequências de letras, e essas “letras” correspondem a um aminoácido. Para projetar uma proteína, o software pega uma cadeia de aminoácidos aleatória e muta a sequência repetidamente até que uma sequência que codifique a(s) função(ões) desejada(s) seja criada. As proteínas resultantes podem então ser fabricadas e estudadas em laboratório.
Enquanto a abordagem “inpainting” pode ser usada para preencher as partes que faltam de uma estrutura de proteína já existente, permitindo que os pesquisadores comecem com os principais recursos que desejam na proteína final e permitam que o software preencha o resto.
Testes de laboratório dos métodos “alucinate” e “inpainting” mostraram que as proteínas geradas funcionaram conforme o esperado. Algumas das novas proteínas se ligam ao receptor anticancerígeno PD-1, enquanto outras têm potencial para se tornar uma vacina para o vírus sincicial respiratório (RSV), um vírus comum que pode causar bronquiolite ou pneumonia em populações vulneráveis.
Apesar desses sucessos, os pesquisadores observaram no comunicado de imprensa que são necessários testes adicionais, inclusive em animais, para qualquer tratamento à base de proteínas, vacina ou medicamento gerado usando essa tecnologia.