En studie, publicerad i Advanced Materials den 6 maj 2024, ledd av VTT:s forskare, introducerar ett transformativt tillvägagångssätt som integrerar syntetisk biologi med avancerad maskininlärning och beräkningstekniker för att avsevärt påskynda utvecklingen av nya biomaterial.
"Genom att utnyttja kraften i AI och syntetisk biologi har vi lyckats finjustera och dramatiskt påskynda designprocessen för nya proteinbaserade material, vilket möjliggör snabb utveckling av biomaterial med skräddarsydda funktionaliteter, och uppnå det som brukade ta år på bara månader, med potential att ytterligare reducera denna tid till minuter, säger Pezhman Mohammadi, VTT:s senior forskare och chef för studien.
Genom att använda maskininlärningsalgoritmer kunde VTT:s forskargrupp effektivt sålla igenom tusentals proteinstrukturer för att lokalisera de mest lovande kandidaterna för laboratoriesyntes.
De nya högpresterande, proteinbaserade biomaterialen som utvecklats genom denna metod förväntas ersätta fossilbaserade material och ge spelförändrande egenskaper för applikationer med hög efterfrågan, såsom medicinska injektioner och smarta material för att nämna några. Forskningen visade upp den effektiva användningen av hybridbiomimetiska och de novo designstrategier, som kombinerar insikter från naturens egna designmöjligheter för att skapa innovativa material från grunden.
"Syntetisk biologi möjliggör produktion av komplicerade strukturer som finns i naturen. Genom detta tillvägagångssätt replikerar vi inte bara de extraordinära egenskaperna hos naturmaterial utan förbättrar dem också för att möta specifika funktionella behov, och går ett steg bortom evolutionen. Förmågan att snabbt producera material med anpassade egenskaper öppnar nya horisonter för innovation inom bioteknik och materialvetenskap", säger Pezhman.
Publikationen i Advanced Materials markerar en betydande milstolpe inom det multidisciplinära området materialbioteknik och visar potentialen hos integrerade vetenskaper för att lösa komplexa globala utmaningar.
Forskargruppen, inklusive medarbetare från VTT, Polska vetenskapsakademin, Temple University, Nanyang Technological University och Aalto University, tillför olika expertis inom biologi, kemi, fysik, datavetenskap, maskininlärning, AI och beräkningsvetenskap. Tillsammans fortsätter de att förfina dessa innovativa tekniker och utöka sina applikationer inom en snar framtid.
"När vi går framåt föreställer vi oss att sammansmältningen av bioteknik, bioraffinaderiprocesser, automatisering, syntetisk biologi, såväl som de centrala rollerna för maskininlärning och AI – allt underbyggt av biointelligens – kommer att dramatiskt förändra tillverkningen.
"Detta övergripande tillvägagångssätt möjliggör snabb, exakt design och produktion av biomaterial, utnyttjande av automation för att effektivisera och skala verksamheten effektivt. Konvergens av alla dessa teknologier accelererar inte bara innovation utan möjliggör också en radikal förändring mot mer anpassade, hållbara produktionsmetoder inom olika sektorer, som erbjuder skräddarsydda lösningar med minimal miljöpåverkan, som revolutionerar branschpraxis", säger Pezhman.
Studien, med titeln "Accelerated Engineering of ELP-Based Materials through Hybrid Biomimetic-De Novo Predictive Molecular Design", visar hur samarbetet mellan experter från olika områden, inklusive syntetisk biologi, artificiell intelligens, simulering av molekylär dynamik och mer, har lett till skapande av nya biomaterial som är både hållbara och mycket funktionella.
Mer information: Timo Laakko et al, Accelerated Engineering of ELP-Based Materials through Hybrid Biomimetic-De Novo Predictive Molecular Design, Advanced Materials (2024). DOI:10.1002/adma.202312299
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av VTT Technical Research Centre of Finland
