La IA Revoluciona la Investigación

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

Explicar los conceptos fundamentales de cómo los científicos utilizan la Inteligencia Artificial (IA) para revolucionar la investigación.

Elba M Sepulveda

La Inteligencia Artificial Revoluciona la Investigación de Proteínas en E. coli

Introducción

La inteligencia artificial (IA) está emergiendo como una fuerza transformadora en el campo de la investigación de proteínas, abriendo nuevas fronteras en la biología sintética y la biotecnología. Particularmente en el estudio de organismos como E. coli, la IA está permitiendo descubrimientos y avances que antes eran inimaginables, desde la manipulación genética hasta el diseño de proteínas completamente nuevas.

Avances impulsados por la IA en la investigación de proteínas

Avances científicos recientes resaltan el papel significativo de la inteligencia artificial (IA) en la investigación de proteínas, particularmente en relación con la E. coli y otras bacterias. Los investigadores están utilizando la IA de varias maneras:

Recodificación del Genoma y Proteínas Sintéticas:

Científicos de Yale han utilizado la IA para recodificar genomas de E. coli, permitiendo la creación de proteínas sintéticas programables con posibles aplicaciones médicas e industriales. Esto implica reasignar codones para codificar aminoácidos no estándar, lo que lleva a nuevas clases de proteínas sintéticas.

Predicción e Inhibición de Fragmentos de Proteínas:

Un sistema de IA llamado FragFold, desarrollado por investigadores del MIT, puede predecir fragmentos de proteínas que se unen o inhiben proteínas objetivo en E. coli. Esta herramienta podría facilitar el desarrollo de inhibidores genéticamente codificables contra diversas proteínas, ofreciendo nuevas vías para comprender el diseño celular y tratar enfermedades.

Descubrimiento de Nuevas Familias de Proteínas:

Un equipo dirigido por la Universidad de Birmingham, con el apoyo de análisis impulsados por IA, identificó un nuevo tipo de proteína, PopA, en bacterias que puede dañar las membranas de E. coli. Este descubrimiento sugiere una “superfamilia” de proteínas que atrapan lípidos previamente no reconocida, lo que desafía la comprensión existente de las interacciones bacterianas.

Comprensión de la Degradación de Proteínas y la Función Enzimática:

El aprendizaje automático se está utilizando para analizar la degradación de proteínas en E. coli. Además, KAIST ha desarrollado DeepECtransformer, una IA que predice con precisión las funciones enzimáticas a partir de secuencias de proteínas, lo que ayuda en el análisis de los procesos metabólicos.

Diseño de Nuevas Proteínas e Ingeniería de Bacterias:

La IA es fundamental en el diseño de proteínas novedosas, con modelos como AlphaFold y RoseTTAFold que aceleran el descubrimiento y la ingeniería de proteínas con propiedades específicas. Esto incluye persuadir a bacterias como E. coli para que produzcan proteínas exóticas no encontradas en la naturaleza, como un precursor para un fármaco contra el Alzheimer.

Investigación original sobre la inhibición de la “heme-piracy”

En una investigación original reciente, se ha explorado el uso de proteínas diseñadas de novo con IA para inhibir la “heme-piracy” por parte de la Escherichia coli patógena. El estudio se centra en cómo E. coli patógena y Shigella spp. adquieren hierro, un nutriente vital, extrayendo directamente el hemo (cofactor que contiene hierro) de las proteínas del huésped a través del transportador de la membrana externa ChuA. Los investigadores utilizaron una combinación de modelado estructural, Cryo-EM, cristalografía de rayos X y análisis fenotípico para comprender este proceso dinámico.

Basándose en este conocimiento, emplearon el diseño de proteínas basado en IA para crear moléculas capaces de bloquear la unión de la hemoglobina a ChuA, inhibiendo eficazmente el crecimiento de E. coli a bajas concentraciones nanomolares. Este trabajo subraya el potencial de las proteínas diseñadas de novo para frenar la absorción de nutrientes bacterianos y presenta un flujo de trabajo aplicable a las proteínas de membrana integrales en otros organismos. Puedes encontrar más detalles sobre esta investigación en Inhibición de la “heme-piracy” por Escherichia coli patógena utilizando proteínas diseñadas de novo.

Conclusión

Estos desarrollos demuestran el impacto transformador de la IA en la ciencia de las proteínas, desde la predicción de estructuras y funciones hasta el diseño de nuevas proteínas y la ingeniería de bacterias para diversas aplicaciones. La integración de la IA en la investigación biológica no solo acelera el ritmo de los descubrimientos, sino que también abre puertas a soluciones innovadoras en medicina, biotecnología y más allá, prometiendo un futuro donde la creación de sistemas biológicos avanzados sea más eficiente y precisa.