Можем ли мы утверждать в общем случае, что все основные белки могут быть разбиты на маленькие функциональные фрагменты? И как появляются новые функциональные белки: с нуля и сразу или постепенно накапливая мелкие пептиды?
Если грубо, то да. Белки состоят из различных доменов и мотивов, структурных и функциональных единиц, каждая из которых имеет свою консервативную структуру и определённую каталитическую активность, зачастую независимую от других частей фермента.
Например, укладка Россмана. Этот мотив связывается с НАД и почти идентичен во всех НАД-связывающих белках, потому что субстрат (НАД) везде один и тот же, и оптимальная конформация выглядит именно так. Именно поэтому потенциал восстановления НАД во всех энзимах примерно одинаков.
Так же дело обстоит и с другими мотивами. Что касается доменов, они выполняют определённую «работу». Пример — SH2-домен, который связывается с фосфотирозином. Чаще всего он встречается у белков, участвующих в клеточной сигнализации.
Новые белки редко возникают «с нуля», обычно это постепенный процесс, проходящий всегда у каждого организма каждого вида на протяжении всей эволюции. Один из основных механизмов и наименее рискованный через дупликацию гена. Когда ген дублируется, в копии (не в оригинале, оригинал все еще выполняет нужную организму функцию) накапливаются мутации, приводящие к изменению функции или специфичности белка. Это эволюционное явление хорошо описано на примере глобиновых белков: разные формы глобинов (гемоглобин, миоглобин) возникли в результате дупликации и дивергенции древнего гена, и последующего накопления различных мутации.
Комбинация доменов это ещё один путь. Если к белку присоединяется новый домен, может появиться совсем иная или дополняющая функция. Также не забываем альтернативный сплайсинг, в котором у нас некоторые домены могут удалятся из изоформы, и в итоге каждая изоформа может не просто отличатся скоростью активности, но и в целом функцией.
Иногда белки эволюционируют, начиная с коротких пептидов, которые стабилизируются и постепенно удлиняются через генные дупликации и рекомбинации, пока не достигают структуры, способной выполнять сложные функции. Лично этого не изучал и не видел конкретных примеров.
P.S. можете собственно посмотреть и поигратся с белковыми последовательностями и их домен/экзон-ной архитектурами. https://www.ensembl.org/index.html отсюда можете смотреть доменную архитектуру белков и потом брать оттуда FASTA-у изоформ и смотреть их структуру через AlphaFold/другие предикторы.
P.S.S. будет немного оффтоп, тем не менее было бы интересно узнать, что синтезнет ллмка.
@eudaimon что ты думаешь о синтетической биологии, в частности о синтезе новых белков с нуля, которых нет в природе? Приведут ли открытия и наработки в этой отрасли на переход на новый уровень развития человечества? Какие есть перспективы в этой отрасли у LLM? Смогут ли люди, в какой то момент “штамповать” белки “на заводе”, для специфических нужд, без огромных затрат и тратя минимальное время на это?
1 лайк
@eudaimon @sophia
что ты думаешь о синтетической биологии, в частности о синтезе новых белков с нуля, которых нет в природе? Приведут ли открытия и наработки в этой отрасли на переход на новый уровень развития человечества? Какие есть перспективы в этой отрасли у LLM? Смогут ли люди, в какой то момент “штамповать” белки “на заводе”, для специфических нужд, без огромных затрат и тратя минимальное время на это?
Синтетическая биология, особенно в области синтеза новых белков с нуля, представляет собой одну из наиболее перспективных и быстроразвивающихся областей науки. Рассмотрим основные аспекты вашего вопроса:
1. Синтетика белков с нуля и их влияние на развитие человечества
Синтез белков с нуля позволяет создавать молекулы с заданными функциями, которые могут не существовать в природе. Это открывает широкие возможности в медицине, промышленности, экологии и других сферах:
- Медицина: Разработка новых лекарств, терапевтических белков, вакцин и диагностических средств.
- Промышленность: Создание биокатализаторов для экологически чистого производства химических веществ, биотоплива и других материалов.
- Экология: Разработка белков для разложения загрязнителей, биоремедиации и других экологических решений.
Такие достижения могут привести к революции в различных отраслях, улучшая качество жизни, устойчивость производства и экологическое состояние планеты.
2. Роль больших языковых моделей (LLM) в этой области
Большие языковые модели, такие как GPT, могут играть значительную роль в синтетической биологии:
- Анализ данных: Обработка и анализ больших объемов биологических данных, что ускоряет открытие новых белковых структур и функций.
- Дизайн белков: Генерация возможных последовательностей аминокислот на основе заданных параметров и требований.
- Оптимизация процессов: Автоматизация проектирования экспериментов, предсказание взаимодействий белков и других задач, требующих обработки сложной информации.
- Обучение и образование: Содействие в обучении специалистов через предоставление информации, ответов на вопросы и помощь в исследованиях.
Таким образом, LLM могут существенно повысить эффективность исследований и разработок в синтетической биологии.
3. Перспективы массового производства белков
С развитием технологий биоинженерии и синтетической биологии становится всё более вероятным, что производство белков “на заводе” станет рутинной практикой. Ключевые факторы, способствующие этому:
- Технологии генной инженерии: Развитие методов редактирования генома, таких как CRISPR, позволяет точно модифицировать гены для производства нужных белков.
- Биореакторы нового поколения: Современные биореакторы обеспечивают эффективное и масштабируемое производство белков с минимальными затратами.
- Автоматизация и искусственный интеллект: Использование автоматизированных систем и ИИ для оптимизации процессов производства, что сокращает время и издержки.
- Экономия на масштабах: По мере увеличения объемов производства затраты на единицу продукции снижаются, делая процесс более доступным.
В перспективе можно ожидать появления специализированных “белковых заводов”, способных быстро и экономично производить белки для разнообразных применений — от медицинских препаратов до промышленных катализаторов.
4. Этические и социальные аспекты
Важно отметить, что такие достижения несут не только технические, но и этические вызовы. Необходимо разработать регуляторные рамки, обеспечивающие безопасность и ответственное использование синтетически созданных белков, предотвращая возможные риски для здоровья и экологии.
Заключение
Синтетическая биология и синтез белков с нуля имеют потенциал привести к значительным изменениям в различных областях, ускоряя научные открытия и улучшая качество жизни. Интеграция больших языковых моделей в процессы исследований и производства может существенно повысить эффективность и скорость инноваций. При этом важно учитывать этические аспекты и обеспечивать ответственное развитие технологий для максимальной пользы человечеству.