Эту структуру белка создал алгоритм на основе нейросети
Белок является важной частью жизни любого человека, но несмотря на то, что мы живем в XXI веке, когда нейросети рисуют картины, а 3D-принтеры полноценные органы, полностью изучить белок ученым пока не представлялось возможности. В частности, биологи на протяжении последних 50 лет пытались определить трехмерную структуру белка: если ее понять, то можно узнать, как он взаимодействует с другими веществами, в том числе лекарствами. До недавнего времени механизм сворачивания белка так и оставался неизвестным, пока команда DeepMind, подразделение Google, которое занимается созданием нейросетей, не решила воспользоваться для решения этой задачи искусственным интеллектом.
В чем же проблема определить трехмерную структуру белка? Белки склонны принимать форму без посторонней помощи, руководствуясь только законами физики. До этого у биологов было представление, как это сделать, но все упиралось во время. Для решения этой задачи необходимо определить аминокислотную последовательность белка и проанализировать связи между членами этой последовательности. Вот только эта последовательность может состоять даже из 101 аминокислоты, между которыми будет, соответственно, 100 связей. Плюс у каждой из них может быть три возможных состояния.
В итоге у конечного белка будет невероятно много вариантов
структур - 3 в сотой степени. Чтобы перебрать их
все, человеку потребуются тысячи лет.
Конечно, столько времени в запасе ни у кого нет, поэтому десятки лет ученые пытались решить эту задачу другим способом. Не получалось, до появления AlphaFold алгоритма, который команда DeepMind разработала специально для этой цели.
Первую версию этого алгоритма DeepMind показала еще два года назад. AlphaFold оказался более точным, чем конкуренты, в прогнозировании трехмерной структуры белков из списка составляющих. Нейросети достаточно скормить последовательность аминокислот, а на выходе она покажет расстояние и углы связей между ними, что позволяет восстановить структуру белка.
Разработчики продолжили работу над алгоритмом, и 30 ноября 2020 года показали AlphaFold 2, который стал еще более точным. Идея в том, чтобы рассмотреть последовательность аминокислот в виде графа: его вершины это аминокислотные остатки, а ребра связи между ними. А затем дать задачу нейросети с блоком внимания исследовать его, учитывая уже известных похожих и эволюционно родственных белков. После этого из получившихся связей алгоритм выстраивает конечную трехмерную структуру белка.
Структуры белка, созданные алгоритмом DeepMind
Но любой нейросети нужны входные данные, на которые она может опираться, и в этом случае ученые загрузили информацию о структурах примерно 170 тысяч белков. Весь процесс обучения занял несколько недель по сравнению с тысячами лет, о которых велась речь в начале статьи, это настоящий прорыв. Алгоритм представили на недавней конференции CASP, где AlphaFold2 занял первое место, набрав 92,4 из 100 возможных баллов (исходит из правильности расположенных аминокислотных остатков в цепочке белка). Прошлая версия алгоритма набирала максимум 60 баллов.
Исследования точности алгоритмов по определению структуры белка (больше — лучше)
Это открытие позволит создать новые лекарственные препараты против болезней, поскольку с помощью структуры ученые будут знать, как работает белок, как он сворачивается и взаимодействует с другими элементами, чтобы его можно было безболезненно использовать в лекарствах. Также структура белка позволяет понять, как болезни распространяются и влияют на организм человека.
Например, болезнь Паркинсона развивается из-за накопления в организме белка альфа-синуклеина: он скручивается и образует внутри нейронов токсичные клубки тельца Леви. Последние затем поражают нейроны в головном мозге. Однако откуда именно появляется этот белок, ученые до сих пор точно не знают. Понимание трехмерной структуры белка поможет ответить на этот вопрос.
То же самое касается
болезни Альцгеймера, путь распространения которой пролегает
через нарушение связи между нейронами, особенными клетками, которые
обрабатывают и передают электрические и химические связи между
областями мозга. Это приводит к смерти клеток мозга и накоплению
двух типов белка, амилоида и тау.
Точное взаимодействие между этими двумя белками в значительной степени неизвестно. Одна из трудностей диагностики болезни Альцгеймера заключается в том, что у нас нет надежного и точного способа измерения этих белковых накоплений на ранних стадиях заболевания.
AlphaFold 2 поможет диагностировать
болезнь Альцгеймера на более ранних стадиях и даст возможность для
создания нужного лекарства.
Это важнейшее открытие за последние 50 лет, говорит Джон Моулт, биолог из Университета Мэриленда, который стал соучредителем CASP в 1994 году с целью разработки вычислительных методов для точного предсказания структур белков. В каком-то смысле проблема решена.
Возможность точно предсказать структуру белков по их аминокислотной последовательности станет огромным благом для медицины. Это значительно ускорит исследования по пониманию строительных блоков клеток и позволит быстрее и эффективнее открывать новые лекарства.
Подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен,
чтобы получить доступ к закрытым материалам, которые не публикуются
даже на сайте.
AlphaFold 2 вряд ли сделает ненужными лаборатории, которые используют экспериментальные методы для определения структуры белков. Но алгоритм показал, что менее качественные и простые для сбора экспериментальные данные — это все, что нужно для создания хорошей структуры белка.
Я думала, что эта проблема не будет решена при моей жизни, — говорит Джанет Торнтон, биолог из Европейской лаборатории молекулярной биологии.
Она надеется, что этот подход поможет пролить свет на функцию тысяч неизвестных белков в геноме человека и разобраться в вариациях генов, вызывающих болезни, которые бывают у разных людей.
Создание AlphaFold 2 также знаменует собой поворотный момент для DeepMind. Компания наиболее известна тем, что использует ИИ для освоения таких игр, как го, но ее долгосрочная цель — разработать программы, способные превосходить возможности человеческого интеллекта. Решение грандиозных научных задач, таких как предсказание структуры белков, является одним из наиболее важных, которое может сделать искусственный интеллект. Только подумайте, что будет дальше ведь нас ждут удивительные открытия!
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В этом маленьком пластыре заключена функция аппарата УЗИ
Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности во всем мире. Швейцарские ученые однажды составили статистику таких случаев и выяснили, что чаще всего от
Запуск модуля Наука на ракете-носителе Протон-М
Корпорация Роскосмос успешно запустила в космос исследовательский модуль Наука. Он станет частью российского сегмента Международной космической станции и будет использоваться для пр
Если идея компании Ford будет реализована, водители грузовиков смогут подзаработать денег
Современные электромобили выглядят очень стильно и в плане характеристик не уступают своим бензиновым собратьям. Но у них до сих пор есть
Змеиный яд часто используется в медицине и на этот раз его использовали для создания хирургического клея
В результате серьезной травмы или во время хирургической операции человек может умереть из-за потери крови. При этом из орга
Марсоход Кьюриосити сделал очередное важное открытие
В 2012 году аэрокосмическое агентство NASA отправило на Марс исследовательский аппарат Кьюриосити. Он был высажен на поверхности кратера Гейла диаметром около 154 километра
Процесс изготовления фуа-гра выглядит ужасно, но скоро мучения животных могут закончиться
Если бы вы знали, каким образом изготавливаются некоторые продукты питания, вы бы ни за что не стали это есть. Взять, к примеру, фуа
Ученые утверждают что акулы не кровожадные, а просто любопытные существа
Многие люди представляют себе акул как огромных, зубастых и кровожадных хищников. Но ученые уверены, что эти морские обитатели обыкновенные животные, которые
Корабельные черви способны уничтожить плавательные средства в течение нескольких месяцев
Корабельные черви это небольшие моллюски, которые каждый год наносят вред на несколько миллиардов долларов. Из-за своего ненасытного аппет
Результаты научных исследований разбивают устоявшиеся стереотипы.
Так уж повелось, что детей рожать «принято». Особенно достается женщинам нам с раннего детства заботливые родители, бабушки и дедушки рассказывают о счастье материнства.
В мире микробных войн иногда приходится менять саму структуру того, кто вы есть.
Вирусы, которые заражают бактерии их уместно называть бактериофагами и их жертвы воюют уже целую вечность; каждая сторона разрабатывает более дьявольскую тактику
Группа японских ученых показала, что млекопитающие могут поглощать кислород через задний проход.
Когда большинство людей думают о дыхании, можно с уверенностью сказать, что они представляют, как вдыхают воздух через нос и выпускают его чере
Согласно новой теории сновидений, странные сны приучают нас к неожиданностям.
Как-то раз я собралась в гости к своей подруге в Лос-Анджелес. Села на самолет, смотрела в окошко, как вдруг поняла, что сижу в домашних тапочках и вещей у меня
В этом маленьком пластыре заключена функция аппарата УЗИ
Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности во всем мире. Швейцарские ученые однажды составили статистику таких случаев и выяснили, что чаще всего от
Веселые посиделки в баре каждую пятницу могут закончиться развитием раковой опухоли. Так стоит ли игра свеч?
Ну что, поговорим об алкоголе? Несмотря на то, что многих любителей хмельных и винных напитков эта новость, вероятно, расстроит, игн
Змеиный яд часто используется в медицине и на этот раз его использовали для создания хирургического клея
В результате серьезной травмы или во время хирургической операции человек может умереть из-за потери крови. При этом из орга
Ряд известных препаратов против депрессии, похоже, препятствует попадания коронавируса в клетки, а также снижает уровень воспаления в организме.
И снова поговорим про коронавирус. В конце концов, что нам еще делать во время пандеми
Устройство NCyborg может помочь быстрее справиться с последствиями инсульта
Инсульт это острое нарушение кровообращения в головном мозге человека. Если верить статистике, каждый год в России от этой патологии страдает около 450 т
Злая улитка в представлении художника HolyShmow
Если говорить по-научному, улитки являются брюхоногими моллюсками с наружной раковиной. Они распространены по всему земному шару, но наибольшее количество видов обитает в прибрежных з
Представления многих о Data Science ошибочны
Когда заходит речь о работе с большими данными, многие сразу представляют себе академиков в каком-нибудь научно-исследовательском институте или программистов, которые сидят за компьютером и пишут код
Технологический прогресс уже позволяет ученым воссоздавать давно забытые запахи
История человечества очень богата событиями, поэтому ученым интересно, как жили люди в давние времена. Благодаря изобретенному в XV веке печатному станку,
Кадр из видео, сделанного с помощью Deepfake 2.0
За последние несколько лет глубинное обучение (Deep Learning) шагнуло далеко вперед. Некоторые системы машинного зрения, голосового восприятия и некоторые другие работают настолько эффекти
Искусственный интеллект способен на многое. Например, он может заменить лицо Арнольда Шварценеггера на Сильвестра Сталлоне
Последние 10 лет мы ежедневно слышим новости про то, как тот или иной искусственный интеллект научился
