För oss människor, en frisk hjärna hanterar alla små detaljer om kroppsliga rörelser utan att kräva medveten uppmärksamhet. Inte så för hjärnlösa robotar - faktiskt beräkningen av robotrörelsen är ett eget vetenskapligt delområde.

Mina kollegor här vid University of Washingtons Institute for Protein Design har kommit på hur man kan tillämpa en algoritm som ursprungligen var utformad för att hjälpa robotar att flytta till ett helt annat problem:läkemedelsupptäckt. Algoritmen har hjälpt till att låsa upp en klass av molekyler som kallas peptidmakrocykler, som har tilltalande farmaceutiska egenskaper.

Ett litet steg, ett jätte språng

Robotiker som programmerar rörelser uppfattar det i vad de kallar "frihetsgrader". Ta en metallarm, till exempel. Armbågen, handled och knogar är rörliga och innehåller därmed frihetsgrader. Underarmen, överarm och enskilda delar av varje finger inte. Om du vill programmera en android att nå ut och greppa ett föremål eller ta ett beräknat steg, du måste veta vad dess frihetsgrader är och hur du manipulerar dem.

Ju fler frihetsgrader en lem har, desto mer komplexa dess potentiella rörelser. Den matematik som krävs för att styra även enkla robotlemmar är förvånansvärt abstrakt; Ferdinand Freudenstein, en fältfader, kallade en gång beräkningarna som ligger till grund för rörelsen av en lem med sju leder "Mount Everest of kinematics."

Freudenstein utvecklade sina kinematiska ekvationer i början av datatiden på 1950 -talet. Sedan dess, robotiker har alltmer förlitat sig på algoritmer för att lösa dessa komplexa kinematiska pussel. En algoritm i synnerhet – känd som "generaliserad kinematisk stängning" – överträffade problemet med sju led, tillåter robotister att programmera finkontroll till mekaniska händer.

Molekylärbiologer lade märke till det.

Många molekyler inuti levande celler kan ses som kedjor med vridpunkter, eller grader av frihet, liknar små robotarmar. Dessa molekyler böjer och vrider sig enligt kemilagarna. Peptider och deras långsträckta kusiner, proteiner, måste ofta anta exakta tredimensionella former för att fungera. Att noggrant förutsäga de komplexa formerna av peptider och proteiner gör att forskare som jag kan förstå hur de fungerar.

Bemästra makrocykler

Medan de flesta peptider bildar raka kedjor, en delmängd, känd som makrocykler, bilda ringar. Denna form erbjuder tydliga farmakologiska fördelar. Ringade strukturer är mindre flexibla än diskettkedjor, gör makrocykler extremt stabila. Och eftersom de saknar fria ändar, vissa kan motstå snabb nedbrytning i kroppen - ett annars vanligt öde för intagna peptider.

Naturliga makrocykler som cyklosporin är bland de mest potenta läkemedlen hittills. De kombinerar stabilitetsfördelarna med småmolekylära läkemedel, som aspirin, och specificiteten hos läkemedel mot stora antikroppar, som herceptin. Experter inom läkemedelsindustrin betraktar denna kategori av medicinska föreningar som "attraktiva, om än underskattat."

"Det finns en enorm mångfald av makrocykler i naturen - i bakterier, växter, vissa däggdjur, "sa Gaurav Bhardwaj, en huvudförfattare till den nya rapporten i Vetenskap , "och naturen har utvecklat dem för deras egna speciella funktioner." Verkligen, många naturliga makrocykler är toxiner. Cyklosporin, till exempel, uppvisar anti-svampaktivitet men fungerar också som ett kraftfullt immunsuppressivt medel på kliniken vilket gör det användbart som behandling för reumatoid artrit eller för att förhindra avstötning av transplanterade organ.

En populär strategi för att producera nya makrocykelläkemedel innefattar ympning av medicinskt användbara funktioner på annars säkra och stabila naturliga makrocykelkedjor. "När det fungerar, det fungerar riktigt bra, men det finns ett begränsat antal välkarakteriserade strukturer som vi med säkerhet kan använda, "sa Bhardwaj. Med andra ord, läkemedelsdesigners har bara haft tillgång till en handfull utgångspunkter när de tillverkat nya makrocykelmediciner.

För att skapa ytterligare pålitliga utgångspunkter, hans team använde generaliserad kinematisk stängning - robotledsalgoritmen - för att utforska möjliga konformationer, eller former, som makrocykler kan anta.

Anpassningsbara algoritmer

Som med nycklar, den exakta formen på en makrocykel spelar roll. Bygg en med rätt konformation så kan du låsa upp ett nytt botemedel.

Att modellera realistiska konformationer är "en av de svåraste delarna" av makrocykeldesign, enligt Vikram Mulligan, en annan huvudförfattare till rapporten. Men tack vare effektiviteten hos den robotinspirerade algoritmen, laget kunde uppnå "nästan uttömmande provtagning" av troliga konformationer till "relativt låg beräkningskostnad."

Beräkningarna var så effektiva, faktiskt, att det mesta av arbetet inte krävde en superdator, som vanligtvis är fallet inom området molekylär ingenjörskonst. Istället, tusentals smartphones som tillhör volontärer nätverkades tillsammans för att bilda ett distribuerat datanät, och de vetenskapliga beräkningarna delades ut i hanterbara bitar.

När det initiala smartphonenumret är klart, teamet tittade på resultaten – en samling av hundratals aldrig tidigare skådade makrocyklar. När ett dussin sådana föreningar syntetiserades kemiskt i labbet, nio visade sig faktiskt anta den förutsagda konformationen. Med andra ord, smarttelefonerna återgav exakt molekyler som forskare nu kan optimera för sin potential som riktade läkemedel.

Teamet uppskattar att antalet makrocykler som med säkerhet kan användas som utgångspunkter för läkemedelsdesign har hoppat från färre än 10 till över 200, tack vare detta arbete. Många av de nydesignade makrocyklerna innehåller kemiska egenskaper som aldrig har setts inom biologin.

Hittills, makrocykliska peptidläkemedel har visat löfte i kampen mot cancer, hjärt -kärlsjukdom, inflammation och infektion. Tack vare robotikens matematik, några smartphones och lite tvärvetenskapligt tänkande, patienter kan snart se ännu fler fördelar med denna lovande klass av molekyler.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.