کاربرد هوش مصنوعی در آنزیم ها

دکتر مرتضی میرزایی، پژوهشگر:

آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که به عنوان کاتالیزگرهایی زیستی سرعت واکنش‌های شیمیـایی را بـدون مصـرف شـدن افزایـش می‌دهند. دسته‌ای از مولکـول‌ها که آنزیم بر آنها عمـل می‌کند، سوبسترا نام دارد که در طی آن مولکـول‌های دیگـری به نام فـرآورده ایجـاد می‌گردند.

آنزیم‌ها با استفاده از نیروهای بین مولکولی، سوبستراها را در جهت مناسبی برای شکست یا ایجاد پیوند گرد هم می‌آورند که در نتیجـه کمپلکـس آنـزیـم-سوبسترا ایجـاد می‌گردد. مهم‌ترین ویژگی آنزیم‌ها اختصاصی بودن و قـدرت کاتـالیزگـری آنهـا می‌باشـد که این ویژگی‌ها از برهمکنش دقیق بین سوبسترا و آنزیم نشئت می‌گیرد. آنزیم‌ها مسئول انجام واکنش‌های زیستی متعددی در موجودات زنده می‌باشند.

برای مثال در ترارسانی پیام (Signal transduction)، که در طی آن یک پیام شیمیایی یا فیزیکی در سلول منتقل می‌شود، آنزیمی به نام کیناز، که مسئول انتقال گروه‌های فسفاتی است، نقش ایفا می‌کند. نقش مهم دیگر آنزیم‌ها در دستگاه گوارش بدن است. آنزیم‌هایی مانند آمیلاز و پروتئاز به ترتیب مولکول‌های نشاسته و پروتئین‌های بزرگ را به اجزای کوچک‌تری تقسیم می‌کنند تا توسط روده جذب گردند.

از دیگر عملکردهای زیستی آنزیم‌ها می‌توان به نقش آنها در مسیرهای سوخت و سازی یا متابولیکی اشاره کرد. با توجه به نقش فراوان آنزیم در حفظ حالت ایستایی (Homeostasis) موجودات زنده تغییر در ساختار آنزیم‌ها، مانند جهش یا تغییر در فعالیت آنها، از جمله عوامل ایجاد بیماری‌ها می‌باشند. برای نمونه بیماری تِی-سَکس (Tay–Sachs) که آسیب به نورون‌ها را به همراه دارد به دلیل کمبود آنزیمی به نام هگزوآمینیداز می‌باشد.

به دلیل ویژگی اختصاصیت آنزیم‌ها، کاربردهای فراوانی از آنزیم‌ها در صنایع مختلف، مانند صنایع شیمیایی، دارویی، زیستی و غذایی پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، پروتئازها، آمیلازها و لیپازها به دلیـل تواناییشان در شکستـن مولکول‌هـای پروتئینی، نشاسته‌ها و چربی‌ها، به عنوان مواد افزودنی در مواد شوینده استفاده می‌شوند تا به رفع لکه‌ها در ظروف و البسه کمک کنند. پاپائین، آنزیم پروتئاز سیستئین، به عنوان ترد کننده گوشت استفاده می‌شود.

با توجه به نقش مهم آنزیم‌ها در فرآیندهای زیستی و همچنین کاربردهای فراوان آنها در صنعت، مطالعه آنزیم‌ها با استفاده از ابزارهای نوینی مانند هوش مصنوعی در سالیان اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. سـامـانه‌هـای هـوش مصنـوعـی مجمـوعـه الگوریتم‌های رایانه‌ای هستند که به منظور پردازش مقادیر زیادی از داده، شناسایی الگوها، پیش‌بینی و توصیه‌ راه حل‌های نوین آن هم بدون برنامه‌نویسی صریح توسعه پیدا کرده‌اند.

یکی از کاربردهای مهم این ابزارها شناسایی نـوع دستـه و عملکـرد آنـزیـم از تـوالی آمینواسیدی آن می‌باشد. تعیین عملکرد یک آنزیم به منظور شناخت رفتـار کاتالیـزوی آن، پیشنهـاد مسیـرهای متابولیکی جدید و شناختن آنزیم‌های چند عملکردی اهمیت فراوانی دارد. شناسایی و طراحی آنزیـم‌هایـی که در محیط‌هایـی که خصلت بازی و اسیدی متفاوتی از مقدار بهینه فعال هستند، از جمله کاربردهای الگوریتـم-‌های هـوش مصنوعـی می‌باشد که کاربردهای فراوانی در صنعت و بیوتکنولوژی دارد.

تشخیص مکان فعالیت و کاتالیزگری یک آنزیم و یافتـن سوبستراهای مختلف آن از دیگر کاربردهای الگوریتم‌های داده محور می‌باشد که به درک بهتر ما از بیوشیمی آنزیم‌ها کمک می‌کنند. طراحی آنزیـم، که با تغییـر در توالـی آمینو اسیـدی آن همـراه است، به منظور افزایش فعالیت آنزیم در برابر یک سوبسترای مشخص، حفظ فعالیتش در برابر گرما یا استفاده از آن در محیط صنعتی صورت می‌گیرد.

اما به دلیل آنکه فضای توالی برای یک آنزیم با N آمینو اسید برابر با N20 می‌باشد، جست و جو در این فضا چه به صورت آزمایشگاهی و چه محاسباتی امر غیر ممکنی است. شبکه مولد تخاصمی یا به اختصار GAN روشی است که در آن شبکه عصبی توزیع داده‌ها در فضـای توالی را فرا می‌گیرد و با استفاده از آن نمونه‌های دیگری از توالی، آنزیم مورد نظر را ایجاد می‌کند.

ProteinGAN نمونه‌ای از روش‌های مولد می‌باشد که پس از یادگیری، توالی‌های جدیدی از آنزیم مالات دهیدروژناز باکتریایی ایجاد می‌کند که در محیط آزمایشگاهی فعالیت کاتالیزوری بهتری از خود نمایش می‌دهند. سـهـم بـازار هـوش مصنـوعی در مهنـدسـی آنزیـم به دلیـل نوین بودن کاربـردهای هوش مصنوعی در این زمینـه در حال حاضـر نسبتـاً کم می‌باشد.

بر اساس گزارش موردور اینتلیجنس (Mordor Intelligence)، انتظار می‌رود بازار جهانی هوش مصنوعی در صنعت علوم زیستی که شامل مهندسی آنزیم نیز می‌شود، تا سال 2028 به 7.1 میلیارد دلار برسد و با نرخ رشد سالانه ترکیبی %25.23 (CAGR) از سال 2023 تا 2028 رشد کند.

لازم به ذکر است میزان سهم بازار در سال 2023 برابر با 2.30 میلیارد دلار ارزیابی شده است. شرکت‌های دانش بنیان متنوعی نیز در این حوزه مشغول به فعالیت هستند. برای مثال شرکت BioMatter یکی از شرکت‌های فعال در این حوزه می‌باشد که در سال 2018 در کشور لیتوانی تأسیس شد که سیستم جامعی را به منظور طراحی آنزیم‌ها و پروتئین‌هایی که برای سلامت و صنایع مختلف اهمیت دارند را ارائه می‌دهد.

از دیگر شرکت‌های دانش بنیان مهم در این حوزه می‌توان به Evozyme، Menten AI و Heliopolis Biotech اشاره نمود. در سالیان اخیر شاهد به بلوغ رسیدن کاربردهای فناورانه هوش مصنوعی در ابعاد مختلف زندگی هستیم. دلایل مختلفی را می‌توان به این رشد فزاینده نسبت داد، اما شاید بتوان با قطعیت مهمترین عامل را فراگیر شدن اینترنت و به تبع آن افزایش سرسام آور داده‌های قابل دسترس عنوان نمود.

گسترش هوش مصنوعی به علوم زیستی نیز منوط به دسترس‌پذیر شدن داده‌ها می‌باشد که با توجه به تغییراتی که در نحوه نگرش دانشمندان و محققین در این حوزه پیش آمده است، مانند تشویق مجلات و کنفرانس‌ها به منبع باز کردن داده‌ها و الگوریتم‌های مورد استفاده، می‌توان آینده روشنی را نیز برای این حوزه این متصور شد.