Най-важното откритие от 50 години: Алгоритъмът на DeepMind е научен да определя структурата на протеин

Протеинът е важна част от живота на всекичовек, но въпреки факта, че живеем в 21-ви век, когато невронните мрежи рисуват картини, а 3D принтерите са пълноценни органи, учените все още не са имали възможност да изследват напълно протеина. По-специално, биолозите през последните 50 години се опитаха да определят триизмерната структура на протеина: ако го разберете, можете да разберете как той взаимодейства с други вещества, включително лекарства. Доскоро механизмът на сгъване на протеини оставаше неизвестен, докато екипът на DeepMind, подразделението на Google, което създава невронни мрежи, не реши да използва изкуствен интелект за решаване на този проблем.

Тази протеинова структура е създадена от алгоритъм, базиран на невронна мрежа

Съдържанието

• 1 Как да определите структурата на протеин?
• 2 Какво е AlphaFold?
• 3 Защо трябва да определите структурата на протеин?
• 4 Как иначе може да се използва AlphaFold 2

Как да се определи структурата на протеин?

Какъв е проблемът с определянето на триизмерната структуракатерица? Протеините са склонни да се оформят без помощ, водени само от законите на физиката. Преди това биолозите имаха идея как да направят това, но всичко почиваше навреме. За да се реши този проблем, е необходимо да се определи аминокиселинната последователност на протеина и да се анализират връзките между членовете на тази последователност. Но тази последователност може дори да се състои от 101 аминокиселини, между които ще има съответно 100 връзки. Освен това всеки от тях може да има три възможни състояния.

В резултат на това крайният протеин ще има невероятно много варианти на структури - 3 до стотната степен... Да ги прегледаш, човече ще отнеме хиляди години,

Разбира се, на никой не му остава толкова много време, така че десетилетия наред учените се опитват да разрешат този проблем по различен начин. Преди не работеше Alphafold - алгоритъм, който екипът на DeepMind разработи специално за тази цел.

Какво е AlphaFold?

Показа първата версия на този алгоритъм DeepMindпреди две години. AlphaFold се оказа по-точен от своите конкуренти при прогнозирането на триизмерната структура на протеините от съставния списък. Достатъчно е невронната мрежа да "захрани" последователност от аминокиселини и на изхода ще покаже разстоянието и ъглите на връзките между тях, което позволява възстановяване на протеиновата структура.

Разработчиците продължиха да работят по алгоритъма иНа 30 ноември 2020 г. беше показан AlphaFold 2, който стана още по-точен. Идеята е да разгледаме последователността на аминокиселините като графика: нейните върхове са аминокиселинни остатъци, а ръбовете са връзките между тях. И след това дайте задача на невронна мрежа с блок за внимание да я изследва, като вземе предвид вече известни подобни и еволюционно свързани протеини. След това алгоритъмът изгражда окончателната триизмерна структура на протеина от получените връзки.

Протеинови структури, генерирани от алгоритъма DeepMind

Но всяка невронна мрежа се нуждае от входни данни, зана което може да разчита, като в този случай учените качиха информация за структурите на приблизително 170 000 протеина. Целият процес на обучение отне няколко седмици - в сравнение с хилядите години, обсъждани в началото на тази статия, това е истински пробив. Алгоритъмът беше представен на неотдавнашната конференция на CASP, където AlphaFold2 зае първо място, като спечели 92,4 от 100 възможни точки (въз основа на коректността на разположените аминокиселинни остатъци в протеиновата верига). Предишната версия на алгоритъма набра максимум 60 точки.

Изследване на точността на алгоритмите за определяне на структурата на протеин (повече е по-добре)

Защо трябва да определяте структурата на протеин?

Това откритие ще позволи създаването на нови лекарствалекарства срещу болести, тъй като с помощта на структурата учените ще знаят как действа протеинът, как се сгъва и взаимодейства с други елементи, така че да може да се използва безболезнено в лекарствата. Също така структурата на протеина ви позволява да разберете как болестите се разпространяват и засягат човешкото тяло.

Например, болестта на Паркинсон се развива порадинатрупване на протеина алфа-синуклеин в тялото: той се извива и образува токсични заплитания вътре в невроните - телата на Леви. След това последните заразяват невроните в мозъка. Откъде обаче идва точно този протеин, учените все още не знаят точно. Разбирането на триизмерната структура на протеина ще помогне да се отговори на този въпрос.

Същото важи и за болестта на Алцхаймерразпространението на които протича чрез нарушаване на комуникацията между невроните, специални клетки, които обработват и предават електрически и химични връзки между областите на мозъка. Това води до смърт на мозъчните клетки и натрупване на два вида протеин, амилоид и тау.

Точното взаимодействие между тези два протеина вдо голяма степен неизвестна. Една от трудностите при диагностицирането на болестта на Алцхаймер е, че нямаме надежден и точен начин за измерване на тези натрупвания на протеини в ранните стадии на заболяването.

Alphafold 2 ще помогне за диагностицирането на болестта на Алцхаймер на по-ранен етап и ще предостави възможност за създаване на правилното лекарство.

Това е най-важното откритие през последните 50 години -казва Джон Моулт, биолог от Университета в Мериленд, който е съосновател на CASP през 1994 г. с цел разработване на изчислителни методи за точно предсказване на протеиновите структури. - В известен смисъл проблемът е решен.

Способността за точно предсказване на структурата на протеините чрезтяхната аминокиселинна последователност би била огромна благодат за медицината. Това значително ще ускори изследванията за разбиране на градивните елементи на клетките и ще позволи по-бързо и по-ефективно открийте нови лекарства,

Абонирайте се за нас в Yandex.Zen, за да получите достъп до затворени материали, които не са публикувани дори на сайта.

Как иначе може да се използва AlphaFold 2

AlphaFold 2 е малко вероятно да направи ненужнолаборатории, които използват експериментални методи за определяне на структурата на протеините. Но алгоритъмът показа, че за създаването на добра протеинова структура е необходимо само по-ниско качество и по-лесно събиране на експериментални данни.

Мислех, че приживе този проблем няма да бъде решен “, казва Джанет Торнтън, биолог от Европейската лаборатория по молекулярна биология.

Тя се надява, че подходът ще помогне да се хвърли светлина върху функцията на хиляди неизвестни протеини в човешкия геном и да се разбере вариацията в болестотворните гени, които засягат различни хора.

Създаването на AlphaFold 2 също бележиповратна точка за DeepMind. Компанията е най-известна с използването на AI за овладяване на игри като Go, но дългосрочната й цел е да разработи софтуер, който надминава възможностите на човешкия интелект. Решаването на обезсърчаващи научни проблеми, като например предсказване на структурата на протеините, е едно от най-важните, което изкуственият интелект може да направи. Помислете само какво ще се случи по-нататък - все пак ни очакват удивителни открития!