Исследователи Anthropic использовали модель искусственного интеллекта Claude, чтобы впервые восстановить трехмерную структуру так называемой вортексной частицы (vault particle), обнаруженной у бактерий и бактериофагов. Открытие выявило ранее неизвестную ветвь необычных белковых комплексов и может помочь изучить структуры, встречающиеся также в клетках человека.

Вортексные частицы представляют собой полые структуры бочкообразной формы. Биологи изучают их почти 40 лет: впервые такие комплексы обнаружили в 1986 году Леонард Роум и Нэнси Кедерша. Несмотря на крупные размеры и широкое распространение у сложных организмов, их назначение до сих пор не установлено.

У млекопитающих вортексные частицы состоят из 78 копий основного белка, собранных в две симметричные половины. Ученые предполагают, что они могут участвовать в переносе веществ внутри клеток, защите от лекарств или иммунных реакциях, однако убедительных экспериментальных доказательств ни одной из этих функций пока нет.

Новое исследование показало, что аналогичные белковые комплексы существуют не только у млекопитающих, но и у бактерий и бактериофагов — вирусов, заражающих бактерии и использующих их клеточный механизм для размножения.

Команда Anthropic начала работу с масштабного поиска среди примерно 15 млрд предсказанных белковых последовательностей. Исследователи обнаружили потенциальных родственников вортексных белков в 29 основных группах бактерий и четырех группах архей, после чего отобрали 44 кандидата для лабораторных экспериментов.

Из 15 успешно произведенных белков семь самоорганизовались в структуры, напоминающие вортексные частицы. С помощью криоэлектронной микроскопии ученые подтвердили форму четырех из них: два белка происходили от бактерий, еще два — от бактериофагов.

Для более подробного анализа выбрали белок L05 бактериофага. Он самостоятельно сформировал завершенную структуру из 96 одинаковых белковых копий. Частица имеет длину около 54 нанометров, ширину 45 нанометров, а ее молекулярная масса составляет примерно 9,5 мегадальтона.

Хотя бактериофаговая частица короче известных структур у млекопитающих, ее внутренний объем примерно на 25% больше. Исследователи также создали еще более крупную версию, добавив к белку два повторяющихся сегмента. Это увеличило объем замкнутого пространства примерно на 20%.

Полученные результаты указывают на то, что дублирование белковых сегментов могло сыграть роль в эволюции вортексных структур и разнообразии их размеров.

Claude применяли на разных этапах работы: для поиска подходящих белков, проектирования последовательностей ДНК, лабораторной очистки и анализа микроскопических изображений.

Одним из важных вкладов модели стало упрощение изоляции частиц. Традиционные методы занимают около трех дней, однако команда разработала хроматографический подход, сокративший процедуру примерно до 90 минут. Claude помог выбрать оборудование и оптимизировать экспериментальный протокол.

Искусственный интеллект также использовали для обработки данных криоэлектронной микроскопии. Первая полная структурная модель была подготовлена за 34 часа, тогда как традиционный анализ мог бы занять несколько недель.

При этом исследование продемонстрировало ограничения технологии. В одном из экспериментов Claude предложил добавить вещество, которое помешало доставке ДНК и задержало работу на две недели. В другом случае модель пропустила стандартный этап обработки данных и создала неточную структурную карту.

Ученые исправили проблемы благодаря дополнительной проверке и участию специалистов. Они также передали команде Anthropic наблюдения, полученные во время лабораторной работы, чтобы улучшить дальнейшую работу Claude.

Несмотря на достигнутый прогресс, главный вопрос остается открытым: какова точная функция вортексных частиц в живых организмах. Новая структура позволяет изучать эти комплексы в более доступных лабораторных условиях, однако их биологическая роль все еще требует дальнейшего выяснения.