Door AI ontworpen ‘nanocages’ bootsen viraal gedrag na voor verbeterde gentherapie

Onderzoekers hebben een innovatief therapeutisch platform ontwikkeld door de ingewikkelde structuren van virussen na te bootsen met behulp van kunstmatige intelligentie (AI). Hun baanbrekende onderzoek was gepubliceerd in Natuur op 18 december.

Virussen zijn uniek ontworpen om genetisch materiaal in te kapselen in bolvormige eiwitomhulsels, waardoor ze zich kunnen vermenigvuldigen en gastheercellen kunnen binnendringen, wat vaak ziekten veroorzaakt. Geïnspireerd door deze complexe structuren hebben onderzoekers kunstmatige eiwitten onderzocht die zijn gemodelleerd naar virussen.

Deze “nanocages” bootsen het gedrag van virussen na en leveren effectief therapeutische genen aan doelcellen. Bestaande nanokooien worden echter geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen: hun kleine formaat beperkt de hoeveelheid genetisch materiaal die ze kunnen dragen, en hun eenvoudige ontwerpen schieten tekort in het repliceren van de multifunctionaliteit van natuurlijke virale eiwitten.

Om deze beperkingen aan te pakken, gebruikte het onderzoeksteam AI-gestuurd computationeel ontwerp. Hoewel de meeste virussen symmetrische structuren vertonen, vertonen ze ook subtiele asymmetrieën. Met behulp van AI heeft het team deze genuanceerde kenmerken opnieuw gecreëerd en voor het eerst met succes nanokooien in tetraëdrische, octaëdrische en icosahedrale vormen ontworpen.

De resulterende nanostructuren zijn samengesteld uit vier soorten kunstmatige eiwitten, die ingewikkelde architecturen vormen met zes verschillende eiwit-eiwit-interfaces. Hiervan valt de icosahedrale structuur, met een diameter tot 75 nanometer, op door zijn vermogen om driemaal meer genetisch materiaal vast te houden dan conventionele genoverdrachtsvectoren, zoals adeno-geassocieerde virussen (AAV), wat een aanzienlijke vooruitgang in gentherapie markeert. .

Elektronenmicroscopie bevestigde dat de door AI ontworpen nanokooien nauwkeurige symmetrische structuren bereikten zoals bedoeld. Functionele experimenten hebben verder hun vermogen aangetoond om effectief therapeutische ladingen aan doelcellen te leveren, wat de weg vrijmaakt voor praktische medische toepassingen.

“Vooruitgang op het gebied van AI heeft de deur geopend naar een nieuw tijdperk waarin we kunstmatige eiwitten kunnen ontwerpen en assembleren om aan de behoeften van de mensheid te voldoen”, aldus professor Sangmin Lee. “We hopen dat dit onderzoek niet alleen de ontwikkeling van gentherapieën versnelt, maar ook doorbraken in vaccins van de volgende generatie en andere biomedische innovaties mogelijk maakt.”

Voor deze studie werkte professor Lee samen met professor David Baker, Nobelprijswinnaar voor de Scheikunde 2024 van de Universiteit van Washington. Professor Lee werkte eerder bijna drie jaar als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van professor Baker, van februari 2021 tot eind 2023, voordat hij in januari 2024 bij POSTECH’s Department of Chemical Engineering kwam.