A IA ajuda a revelar como os blocos de construção da vida se adaptam à alta pressão

Com inteligência artificial, micróbio extremo revela como os blocos de construção da vida se adaptam à alta pressão

As descobertas dos pesquisadores da Johns Hopkins mostram o potencial da IA ​​para aumentar drasticamente a velocidade da descoberta científica ao concluir cálculos que levariam décadas usando medições diretas

A ajuda de uma ferramenta de inteligência artificial do Google ajudou cientistas a descobrir como as proteínas de um micróbio que gosta de calor respondem às condições adversas das fossas oceânicas mais profundas do planeta, oferecendo novos insights sobre como esses blocos de construção da vida podem ter evoluído sob as condições da Terra primitiva.

As descobertas, recentemente publicadas em Vida PRX provavelmente levará a mais estudos sobre o funcionamento interno das proteínas e da vida em outros planetas e servirá como um estudo de caso bem-sucedido sobre como a inteligência artificial foi capaz de acelerar essa pesquisa em décadas.

“Este trabalho nos dá uma ideia melhor de como você pode projetar uma nova proteína para suportar o estresse e novas pistas sobre quais tipos de proteínas teriam mais probabilidade de existir em ambientes de alta pressão, como aqueles no fundo do oceano ou em um planeta diferente”, disse Stephen Fried, químico da Johns Hopkins que coliderou a pesquisa.

A equipe de Fried submeteu Thermus thermophilus, um microrganismo amplamente usado em experimentos científicos devido à sua capacidade de suportar calor, a pressões simuladas em laboratório imitando as da Fossa das Marianas. Os testes revelaram que algumas de suas proteínas resistem a esses níveis de estresse porque têm uma flexibilidade embutida com espaço extra entre suas estruturas atômicas, um design que permite que elas se comprimam sem entrar em colapso.

A maneira como os blocos de construção de uma proteína, ou cadeias de aminoácidos, “dobram” ou se organizam em estruturas 3D determina sua função. Mas essas estruturas podem ser muito sensíveis à temperatura, pressão e outros fatores no ambiente (assim como a percalços bioquímicos e genéticos) que fazem com que elas se dobrem incorretamente em formas disfuncionais.

A análise mostra que 60% das proteínas nas bactérias resistiram à pressão, enquanto o restante se dobrou sob ela e suas formas se deformaram, especificamente em pontos ou locais conhecidos por serem de importante função bioquímica. Os insights podem ajudar a explicar como outros organismos prosperam sob pressões extremas que matariam a maioria dos seres vivos.

“A vida obviamente teve um impulso evolutivo para se adaptar a diferentes ambientes ao longo de bilhões de anos, mas a evolução às vezes pode soar quase como uma coisa mágica”, disse Fried. “Aqui, realmente chegamos à biofísica de como isso acontece e vemos que é por causa de uma solução geométrica simples no arranjo 3D dos blocos de construção dessas proteínas.”

As descobertas são um testamento do potencial da inteligência artificial para a descoberta científica, disse Fried. Ao integrar o poder da ferramenta AlphaFold do Google, a equipe mapeou as partes sensíveis à pressão de todo o conjunto de proteínas do T. thermophilus. A ferramenta de IA previu a estrutura de mais de 2.500 proteínas do organismo, ajudando a equipe a calcular a correlação entre suas configurações e sua capacidade de resistir a mudanças de pressão — um feito que levaria muitas décadas para ser concluído apenas com medições diretas, disse Fried.

Embora o organismo modelo seja conhecido por sua capacidade de prosperar em torno de fontes termais ou fontes hidrotermais, em vez de sua capacidade de suportar pressões oceânicas profundas, as descobertas podem lançar luz sobre a vida oceânica profunda que é extremamente pouco estudada – assim como o desconhecido – disse a autora Haley Moran, uma química da Johns Hopkins que estuda organismos “extremos”.

“Muitas pessoas preveem que se formos encontrar vida extraterrestre, vamos encontrá-la nas profundezas do oceano de algum planeta ou lua. Mas não entendemos completamente a vida em nosso próprio oceano, onde há muitas espécies diferentes que não apenas toleram o que nos mataria, elas amam e prosperam nisso”, disse Moran. “Estamos pegando proteínas, um dos blocos de construção da vida, e colocando-as sob essas condições extremas para ver como elas podem se adaptar para forçar os limites da vida.”

As descobertas também destacam como os testes de alta pressão podem revelar funções moleculares adicionais que permanecem ocultas em outros organismos. Até agora, o pensamento convencional tem sido que os níveis de pressão precisariam ser aumentados muito além do nível da fossa oceânica para influenciar a bioquímica de uma proteína, disse o autor Richard Gillilan, um químico que ajudou a elaborar os experimentos de alta pressão.

“Nós realmente fomos pegos de surpresa, mas conforme continuamos a checar novamente os números e examinar estruturas moleculares individuais, percebemos que este era um mapa do tesouro”, disse Gillilan. “Abrimos uma porta que fornecerá muitos novos alvos para estudos estruturais e biofísicos, talvez até mesmo para descoberta de medicamentos.”

Em seguida, a equipe conduzirá experimentos em outros organismos, especificamente aqueles que prosperam sob altas pressões no oceano profundo.

Outros autores são Edgar Manriquez-Sandoval e Piyoosh Sharma, da Johns Hopkins.