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ワシントン大学のノーベル賞受賞者率いる研究者らが科学的大発見を達成

ワシントン大学のノーベル賞受賞者率いる研究者らが科学的大発見を達成
シアトルのワシントン大学デビッド・ベイカー研究室の酵素設計者たち。左から：サム・ペロック、アンナ・ラウコ、キエラ・スミダ、デビッド・ベイカー、ドンヒョ・キム、インドレック・カルベット、セス・ウッドベリー。（ワシントン大学タンパク質設計研究所撮影 / イアン・ヘイドン）

ノーベル賞受賞者のデイビッド・ベイカー氏が率いるワシントン大学のチームは、人工知能を使って効果的な酵素をゼロから設計している。研究者たちはこの成果を「科学の大きな挑戦の一つ」と呼んでいる。

酵素は自然界の魔法使いとも言えるタンパク質で、分子を変換し、穏やかな条件下で化学反応を急速に促進することができます。酵素はあらゆる生細胞に存在し、生命活動に不可欠です。酵素は既に医薬品製造や産業プロセスに利用されています。新たに開発された酵素生成ツールは、幅広い応用の可能性を秘めています。

「理論的には、これらの酵素を興味のあるあらゆる反応に合わせてカスタマイズできるようになりました」と、ベイカー研究室で最近博士号を取得したアンナ・ラウコ氏は述べた。「これは、酵素設計の方法を根本から覆すようなものです。」

ラウコ氏は、本日サイエンス誌に掲載される研究論文の共同筆頭著者です。共同筆頭著者は、研究室の演技指導員であるサム・ペロック氏と、ベイカー氏の大学院生であるキエラ・スミダ氏です。

生化学者でワシントン大学医学部のタンパク質設計研究所所長のベイカー氏は昨年、タンパク質の分子設計の解明と、AIを使って新しいタンパク質を構築・試験する技術の開発でノーベル化学賞を受賞した。

かつて科学者たちは、既存のタンパク質の構成要素をつなぎ合わせたフランケンシュタイン酵素を作り、組み立てられたパーツが精密な作業をこなせることを期待していました。しかし、酵素は分子を操作する際に何度も形状を変えるなど、微妙な操作をしばしば必要とします。

ワシントン大学のデイビッド・ベイカー研究室の研究者がAIで作成したセリン加水分解酵素のデジタル画像。（ワシントン大学タンパク質設計研究所の画像）

ペロック氏は、酵素設計の従来のアプローチを、スーツを買うためにリサイクルショップに行くことに例えた。

「ぴったり合うスーツを見つけるのはまず無理でしょう」と彼は言った。酵素も同じだった。酵素には基本的なパーツは含まれているものの、相互作用に必要な分子と完全に一致していなかったのだ。この新しいアプローチは、オーダーメイドのタンパク質を作り出す。

最先端のアプローチを検証するため、ワシントン大学の研究者たちは、よく研究されているセリン加水分解酵素に注目しました。この酵素は、プラスチック、ポリエステル、そして人間の一般的な脂肪など、多くの炭素含有分子の構造に重要な化学結合を切断することができます。

研究チームは、Baker研究室で以前に開発されオープンソースとなっているタンパク質生成AIプログラム「RFdiffusionモデル」を使用しました。このモデルを、最も有望なde novo酵素候補を特定するのに役立つPLACERという新しいツールと組み合わせました。そして、科学者たちは機械で生成された酵素の性能を試験しました。

「天然酵素ほど優れているわけではありません」とペロック氏は述べた。「しかし、コンピューター上で作られた酵素の中では、これまで作られたものの中でも最高レベルであり、非常に高い精度で作られているのです。」

この成果は画期的なものであり、研究者たちが、自然が作り出したものを上回る性能を持つ、人間が行う作業のための新しい酵素を作ることに近づいていることを証明している。

例えば、住田氏は、地球上に大量に蓄積されたプラスチック廃棄物の分解に役立つ酵素の開発に取り組んでいます。プラスチックは進化の過程で非常に新しい物質であるため、それを分解できる酵素が進化する時間がほとんどありませんでした。

セリン加水分解酵素ファミリーには、水筒やその他の製品の製造に使用されているプラ​​スチックの結合を切断できる酵素がありますが、持続可能な方法で廃棄する必要がある他の種類のプラスチックも数多く存在します。

「これらの酵素をゼロから構築し、さまざまな種類のプラスチックに合わせてカスタマイズできれば、非常に優れたアプリケーションになると考えました」と彼女は語った。

研究者たちは、数十年にわたるほとんど期待外れの努力を経て、高性能の AI 設計酵素の出現を熱望している。

「酵素設計プロジェクトについて、もっと耳にするようになることを期待しています」とペロック氏は言う。「なぜなら、最終的には実際に機能する酵素が生み出されるからです。」

Science 論文のその他の著者は、David Baker、Ivan Anishchenko、David Juergens、Woody Ahern、Jihun Jeung、Alex Shida、Andrew Hunt、Indrek Kalvet、Christoffer Norn、Ian Humphreys、Cooper Jamieson、Rohith Krishna、Yakov Kipnis、Alex Kang、Evans Brackenbrough、Asim Bera、Banumathi Sankaran、KN Houk です。

著者の所属は、ワシントン大学（UW）の以下の学部およびプログラムです：生化学、生物物理学・構造・設計、タンパク質設計研究所、分子工学、化学、ハワード・ヒューズ医学研究所、ポール・G・アレン・コンピュータサイエンス・エンジニアリング学部。UCLA化学・生化学科の研究者も寄稿しています。