Per noi umani, un cervello sano gestisce tutti i minimi dettagli del movimento corporeo senza richiedere un'attenzione cosciente. Non è così per i robot senza cervello - infatti, il calcolo del movimento robotico è il suo sottocampo scientifico.

I miei colleghi qui all'Institute for Protein Design dell'Università di Washington hanno scoperto come applicare un algoritmo originariamente progettato per aiutare i robot a passare a un problema completamente diverso:la scoperta di farmaci. L'algoritmo ha aiutato a sbloccare una classe di molecole note come macrocicli peptidici, che hanno proprietà farmaceutiche accattivanti.

Un piccolo passo, un salto da gigante

I robotisti che programmano il movimento lo concepiscono in quelli che chiamano "gradi di libertà". Prendi un braccio di metallo, ad esempio. Il gomito, polso e nocche sono mobili e quindi contengono gradi di libertà. L'avambraccio, la parte superiore del braccio e le singole sezioni di ciascun dito no. Se vuoi programmare un Android per raggiungere e afferrare un oggetto o fare un passo calcolato, devi sapere quali sono i suoi gradi di libertà e come manipolarli.

Più gradi di libertà ha un arto, più complessi sono i suoi potenziali moti. La matematica richiesta per dirigere anche semplici arti robotici è sorprendentemente astrusa; Ferdinando Freudenstein, un padre del campo, una volta chiamò i calcoli alla base del movimento di un arto con sette articolazioni "il Monte Everest della cinematica".

Freudenstein sviluppò le sue equazioni cinematiche agli albori dell'era dei computer negli anni '50. Da allora, i robotisti si sono sempre più affidati agli algoritmi per risolvere questi complessi enigmi cinematici. Un algoritmo in particolare, noto come "chiusura cinematica generalizzata", ha superato il problema delle sette articolazioni, consentendo ai robotisti di programmare il controllo fine nelle mani meccaniche.

I biologi molecolari se ne sono accorti.

Molte molecole all'interno delle cellule viventi possono essere concepite come catene con punti di articolazione, o gradi di libertà, simile a minuscoli bracci robotici. Queste molecole si flettono e si torcono secondo le leggi della chimica. Peptidi e i loro cugini allungati, proteine, spesso devono adottare precise forme tridimensionali per poter funzionare. La previsione accurata delle forme complesse di peptidi e proteine ​​consente agli scienziati come me di capire come funzionano.

Padroneggiare i macrocicli

Mentre la maggior parte dei peptidi forma catene diritte, un sottoinsieme, noti come macrocicli, formare anelli. Questa forma offre vantaggi farmacologici distinti. Le strutture ad anello sono meno flessibili delle catene flosce, rendendo i macrocicli estremamente stabili. E poiché mancano di fini liberi, alcuni possono resistere alla rapida degradazione nel corpo, un destino altrimenti comune per i peptidi ingeriti.

I macrocicli naturali come la ciclosporina sono tra le terapie più potenti identificate fino ad oggi. Combinano i vantaggi di stabilità dei farmaci a piccole molecole, come l'aspirina, e la specificità delle terapie con grandi anticorpi, come herceptin. Gli esperti dell'industria farmaceutica considerano questa categoria di composti medicinali "attraenti, anche se sottovalutato».

"Esiste un'enorme diversità di macrocicli in natura:nei batteri, impianti, alcuni mammiferi, " disse Gaurav Bhardwaj, un autore principale del nuovo rapporto in Scienza , "e la natura li ha evoluti per le loro particolari funzioni." Infatti, molti macrocicli naturali sono tossine. ciclosporina, ad esempio, mostra attività antimicotica ma agisce anche come potente immunosoppressore in clinica rendendolo utile come trattamento per l'artrite reumatoide o per prevenire il rigetto degli organi trapiantati.

Una strategia popolare per la produzione di nuovi farmaci macrociclo prevede l'innesto di caratteristiche utili dal punto di vista medico su strutture naturali di macrociclo altrimenti sicure e stabili. "Quando funziona, funziona davvero bene, ma c'è un numero limitato di strutture ben caratterizzate che possiamo usare con sicurezza, " disse Bhardwaj. In altre parole, i progettisti di farmaci hanno avuto accesso solo a una manciata di punti di partenza durante la creazione di nuovi farmaci macrociclo.

Per creare ulteriori punti di partenza affidabili, il suo team ha utilizzato la chiusura cinematica generalizzata - l'algoritmo di giunzione del robot - per esplorare le possibili conformazioni, o forme, che i macrocicli possono adottare.

Algoritmi adattabili

Come con le chiavi, la forma esatta di un macrociclo è importante. Costruiscine uno con la giusta conformazione e potresti sbloccare una nuova cura.

La modellazione di conformazioni realistiche è "una delle parti più difficili" della progettazione di macrocicli, secondo Vikram Mulligan, un altro autore principale del rapporto. Ma grazie all'efficienza dell'algoritmo ispirato alla robotica, il team è stato in grado di ottenere un "campionamento quasi esauriente" di conformazioni plausibili a "costo computazionale relativamente basso".

I calcoli erano così efficienti, infatti, che la maggior parte del lavoro non richiedeva un supercomputer, come di solito accade nel campo dell'ingegneria molecolare. Anziché, migliaia di smartphone appartenenti a volontari sono stati collegati in rete per formare una griglia informatica distribuita, ei calcoli scientifici sono stati distribuiti in blocchi gestibili.

Con il crunch iniziale del numero di smartphone completato, il team ha esaminato attentamente i risultati:una raccolta di centinaia di macrocicli mai visti prima. Quando una dozzina di tali composti sono stati sintetizzati chimicamente in laboratorio, nove hanno dimostrato di adottare effettivamente la conformazione prevista. In altre parole, gli smartphone stavano riproducendo accuratamente molecole che gli scienziati possono ora ottimizzare per il loro potenziale come farmaci mirati.

Il team stima che il numero di macrocicli che possono essere utilizzati con sicurezza come punti di partenza per la progettazione di farmaci è passato da meno di 10 a oltre 200, grazie a questo lavoro. Molti dei macrocicli di nuova concezione contengono caratteristiche chimiche mai viste in biologia.

Ad oggi, i farmaci peptidici macrociclici hanno mostrato risultati promettenti nella lotta contro il cancro, malattia cardiovascolare, infiammazione e infezione. Grazie alla matematica della robotica, qualche smartphone e un po' di pensiero interdisciplinare, i pazienti potrebbero presto vedere ancora più benefici da questa promettente classe di molecole.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.