Внедряя инновации на стыке химии, биологии и инженерии, профессор Брэд Пентелют и лаборатория Пентелюта Массачусетского технологического института изобретают новую химию, платформы и методы, которые могут произвести революцию в терапии. Вкратце их формула: вдохновленные природой исследования, которые начинаются на молекулярном уровне, дополненные современными машинным обучением и автоматизацией, направленные на решение реальных проблем.
Возьмем, к примеру, давнюю проблему биотехнологической доставки белка. Эффективная внутриклеточная доставка белка имеет огромный потенциал для улучшения здоровья человека и лечения болезней. Ключевой задачей является доставка крупных молекул (например, пептидов, белков и олигонуклеотидов) в клетки.
Пентелют и его команда исследователей решили посмотреть, чему они смогут научиться у природных систем доставки больших молекул. Точнее, они исследовали сибирскую язву. Смертельный токсин очень хорошо внедряет белки в клетки, объясняет Пентелют, чья постдокторская работа в Гарвардской медицинской школе изучала, как инфекционные агенты проникают в клетки на молекулярном уровне.
Проиграть видео
Пентелют и его команда модифицировали смертельный токсин в средство доставки вариантов антител и пептидов, которые можно использовать для лечения рака. Как объясняет Пентелут: «По сути, мы захватываем систему доставки сибирской язвы, чтобы доставить белки в клетку. Наше открытие значительно поможет в разработке устойчивых клеточных белковых препаратов».
Тем временем он потратил 12 лет на создание автоматизированной машины для печати белков, которую начал в сотрудничестве с профессором Массачусетского технологического института Клаусом Йенсеном. Их инновация заимствована у природных рибосом, которые соединяют аминокислоты для создания белков за считанные минуты. И хотя их созданная человеком версия не так быстра, как ее вдохновитель (по крайней мере, пока, по словам Пентелюта), она действительно помогает ускорить научный эксперимент и процесс открытия лекарств.
«Мы создали самую быструю и эффективную машину в мире; он способен производить тысячи амидных связей на порядок быстрее, чем коммерчески доступные инструменты», — говорит Пентелют. Это означает, что это может просто ускорить производство персонализированных методов лечения по требованию, таких как вакцины от рака. На сегодняшний день платформа используется лабораториями кампуса Массачусетского технологического института. Это также основа Amide Technologies, стартапа, который Пентелут помог запустить для масштабирования своего творения.
Он и его группа в Массачусетском технологическом институте создали и другие платформы, в том числе платформу, которая открывает новые биологически активные пептиды и белки, способные остановить распространение рака. Пентелют говорит, что их изобретение, основанное на масс-спектрометрии с аффинной селекцией, оказалось особенно полезным в разгар пандемии Covid-19. Это позволило им одними из первых обнаружить многочисленные пептидомиметики, способные связываться с рецептором ACE2, который необходим для проникновения SARS-CoV-2 в клетки. Они также обнаружили некоторые из первых пептидов, которые связываются с белком-шипом коронавируса.
Эти открытия привели Пентелюта и его группу к осознанию того, что они создают платформу быстрого реагирования, которая, по словам Пентелюта, «может изучать белок или какую-либо интересующую биологию и быстро идентифицировать новые лиганды, новые связующие вещества, которые в конечном итоге могут быть использованы либо для анализов или потенциальных отправных точек для лекарств».
Проиграть видео
Основываясь на этой технологии, Pentelute помогла запустить фармацевтический стартап под названием Decoy Therapeutics. Пентелюте говорит: «Сегодня Decoy работает над созданием препарата для носа на основе разработанного нами пептида, который может ингибировать прогрессирование и передачу вируса. Мы тестируем это прямо сейчас, и это выглядит весьма интересно».
Несмотря на то, что он хорошо разбирается в воплощении идей из лаборатории в реальный мир, неудивительно, что Пентелют считает желания и потребности промышленности важным фактором инноваций в своей исследовательской программе. Именно поэтому он считает, что Программа связей с промышленностью MIT (MIT ILP), зарекомендовавшая себя как наиболее полный отраслевой портал Института, является важным аспектом инновационной экосистемы MIT. «MIT ILP стал феноменальным партнером моей лаборатории», — говорит он. «Мы заключили как минимум 10 спонсируемых исследовательских соглашений, которые начались с внедрения ПДОДИ. Это отличный способ пообщаться, объединиться и попробовать новые подходы к решению проблем».
Спросите Пентелюта о будущем его исследований, и он скажет вам, что он и его группа усердно работают над созданием молекулярных данных для создания систем, способных обучать алгоритмы для проектирования молекул с новыми функциями. Ссылаясь на свою работу, он говорит: «Мы были первыми людьми в мире, которые использовали машинное обучение для разработки миниатюрных абиотических (не созданных природой) белков, проникающих в клетку».
Одним из соавторов нового проекта является профессор Манолис Келлис из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Келлис хорошо известен своей новаторской работой по изучению изменений на уровне генома как причинных факторов заболеваний. «Мы строим деревья знаний, чтобы понять, что движет, например, ожирением», — объясняет Пентелут, — «а затем мы собираемся прийти в мою лабораторию и выяснить, как быстро создавать и тестировать эти молекулы».
К усилиям профессоров Массачусетского технологического института присоединилась Маринка Зитник из Гарвардской медицинской школы. Она находится в авангарде создания Therapeutic Data Commons, которая собирает данные для создания моделей машинного обучения для ускорения разработки лекарств. «С помощью Маринки, прежде чем проводить эксперименты, мы можем задать вопросы о том, как молекула, учитывая ее особую конструкцию, может работать в организме человека», — говорит Пентелют.
«Это критический момент с точки зрения того, как мы занимаемся наукой», — говорит Пентелют. «Мы объединяемся, чтобы построить новую парадигму мышления посредством проектирования молекул, управляемых искусственным интеллектом, для взаимодействия с людьми. В будущем мы сможем создавать молекулы, которые будут влиять не только на здоровье человека, но и на все, что мы испытываем здесь, на Земле. Мы совершаем скачок в новое пространство инноваций — это то, что движет мной, и это то, что мы пытаемся построить здесь, в Pentelute Lab».