Laboratoř na čipu pomůže efektivní syntéze léčiv i trénování umělé inteligence

Tým vědců z Loschmidtových laboratoří výzkumného centra RECETOX a Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity pod vedením Zbyňka Prokopa, společně s kolegy z univerzity ETH v Curychu, vyvinul novou mikrofluidní platformu umožňující rychlý a efektivní výzkum enzymů. Enzymy jsou biomolekuly urychlující chemické reakce a používají se v moderním průmyslu a biomedicíně. Podrobná znalost enzymů a jejich vlastností pomáhá při navrhování a syntéze jejich nových variant, které pak najdou využití při vývoji léčiv nebo neutralizaci toxických látek v životním prostředí.

Nově publikovaná metoda se již nyní systematicky využívá například při studiu evoluce bioluminiscenčních enzymů nebo při vývoji nových trombolytik, neboli léků proti tvorbě krevních sraženin, určených pro léčbu mrtvice. Výsledky výzkumu vydal prestižní časopis Chem, který patří k předním odborným časopisům v oboru chemie.

Využití enzymů v průmyslu a medicíně se v posledních letech výrazně rozšiřuje. Jejich úspěšné nasazení v těchto odvětvích nicméně závisí na schopnosti optimalizovat vlastnosti enzymů tak, aby vyhovovaly konkrétním technologickým podmínkám a nárokům. Schopnost konstruovat, a tedy i odpovídajícím způsobem využívat specifické enzymy závisí především na úrovni porozumění mechanismům enzymové katalýzy, tedy tomu, jak enzymy fungují a jak ovlivňují chemické reakce.

Konvenční metody zkoumající mechanismy enzymatických reakcí jsou však obvykle velmi komplikované a náročné na čas i objem použitých chemikálií. Mezinárodní vědecký tým proto vyvinul novou laboratorní metodu analýzy enzymových reakcí na tzv. mikrofluidním čipu, která provádí obrovské množství experimentů ve velmi krátkém čase. Pokusy probíhají v miniaturních kapičkách s objemem kolem pěti pikolitrů, což je milionkrát méně než objem jedné lidské slzy, rychlostí až 9 000 reakcí za minutu. Takto je možné uskutečnit 200 milionů experimentů z jediného mililitru reakční směsi. Použití konvenčních metod by vyžadovalo více než dva tisíce litrů činidla pro stejný počet měření. Díky tomu je systém přinejmenším řádově lepší než nejmodernější dostupná zařízení.

Měření na čipu v kombinaci s moderními metodami matematické analýzy dat a molekulárním modelováním umožňuje hlubší pochopení enzymů, jejich chování a vlastností. "Při prvním použití metody popsané v článku jsme pozorovali neobvyklý fenomén testované enzymatické reakce s takovými detaily, které by nebylo možné získat s použitím tradičních metod. Výsledky a informace získané z měření na čipu významně posouvají chápání principů enzymatických reakcí, což nám pomáhá efektivně navrhovat nové vylepšené enzymy. Velký potenciál vidíme také v používání této technologie pro získávání komplexních datových sad pro trénování nástrojů umělé inteligence pro lékařský a biotechnologický výzkum,“ vysvětluje Zbyněk Prokop, který byl zodpovědný za vývoj metod pro vizualizaci enzymové reakce a analýzu komplexních datových souborů získaných z experimentů na čipu.

Úspěch tohoto projektu byl založený na efektivní kombinaci řady vědních oborů. Vědci využili nejnovější poznatky z oblasti mikrofluidiky, mikroinženýrství, chemie materiálů, optiky, biochemie, matematiky a molekulární modelování. Návrh a konstrukce čipu a optiky byly provedeny ve skupině Andrewa deMella v týmu vedeném Stavrosem Stavrakisem z ETH Curych. Pro konstrukci mikrofluidního čipu použili technologii takzvané měkké litografie, což je proces používaný k výrobě elektrotechnických integrovaných obvodů. Experimentální pozorování doplnily výpočetní simulace provedené ve skupině Jiřího Damborského a Davida Bednáře, který působí v Mezinárodním centru klinického výzkumu Fakultní nemocnice u sv. Anny. "Důležitou součástí úspěšného vývoje této technologie byla fantastická spolupráce, velmi dobrá komunikace mezi týmy a vytrvalost při řešeni mnoha technických problémů," zdůraznil význam vědecké spolupráce Stavrakis.

"Současné požadavky na rychlost pokroku ve výzkumu vyžaduje zavádění nové generace bioanalytických metod. Mikrofluidika nám nabízí přelomové řešení, které spočívá v miniaturizaci a integraci laboratorních procesů na čipech na bázi křemíku, v nichž každou sekundu v miniaturních kapičkách probíhají tisíce reakcí. Tato technologie významně změnila oblast analýzy nukleových kyselin, přinesla technologie sekvenování nové generace a moderní diagnostiky pomocí digitálního PCR. Obdobný pokrok očekáváme také v oblasti analýzy proteinů,“ uzavírá Prokop. Další ambicí vědců je tuto čipovou technologii propojit s pokročilými biofyzikálními metodami a analýzou dat pomocí umělé inteligence.