• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20 апреля
Михаил Орлов
1 204

Глубокое машинное обучение использует «язык белков», чтобы предсказать их свойства

5.5

Модели глубокого обучения (deep learning) хорошо зарекомендовали себя при работе с текстами и речью. Однако они также эффективны для решения задач молекулярной биологии и биомедицины, в том числе предсказания функциональных свойств белков на основе их аминокислотной последовательности.

Глубокое обучение использует последовательность аминокислот, чтобы предсказать структуру и функции белков
Глубокое обучение использует последовательность аминокислот, чтобы предсказать структуру и функции белков / © Unsal et al.

На протяжении многих лет биоинформатики, генетики, нейрофизиологи и другие специалисты в области наук о живом продолжают выяснять биологические функции генов и их продуктов — белков. Для этого им приходится использовать большие и порой имеющие сложную структуру данные, с которыми просто невозможно справиться без помощи машинного обучения и анализа данных.

Напомним, белки — это крупные биологические молекулы со сложной структурой. Они представляют собой длинные цепочки (полимеры), состоящие из множества связанных звеньев-аминокислот (мономеров). Белки могут выполнять самые различные и очень специфичные функции — от формирования «клеточного скелета» до катализа химических реакций, работы в качестве «молекулярных машин» и регуляции различных биологических процессов. Это возможно благодаря их особой трехмерной структуре, которая, в свою очередь, определяется именно аминокислотной последовательностью белка.

В то же время установить связь между аминокислотной последовательностью, структурой белка и его функциями — непростая и пока далеко не решенная задача. Поэтому исследователи из трех различных университетов Турции опубликовали в журнале Nature Machine Intelligence работу, в которой оценили возможность задействовать модели глубокого обучения (deep learning), исходно предназначенные для лингвистического анализа.

Глубокое обучение — разновидность машинного обучения на основе нейронных сетей. Оно называется глубоким, поскольку структура его сетей состоит из нескольких входных, выходных и расположенных между ними скрытых слоев нейронов. Авторы новой публикации рассмотрели как сильные стороны этого подхода, так и его недостатки.

«Полученные с помощью молекулярной биологии данные можно представить в виде языка (по сути, языка генов/белков) таким образом, что последовательность гена или белка окажется чем-то вроде имеющего определенный смысл предложения на естественном языке», — рассказал один из авторов, Тунча Доган (Tunca Dogan). Он считает, что значение такого «языка белков» сводится к особым биологическим, физическим и химическим свойствам этих биомолекул.

«В соответствии с этим работа ставила своей целью построение моделей машинного обучения, которые используют заимствованное у языковых моделей векторное представление в многомерном пространстве (high dimensional numerical embeddings. — Прим. ред.) для белков в качестве данных на входе и которые точно предсказывают их функциональные свойства».

Чтобы успешно оценить модели «белкового языка» и их показатели качества, исследователям пришлось для начала подготовить большие наборы надежных данных. Каждый из таких наборов имеет определенный «уровень сложности».

С помощью этого метода турецкие ученые смогли оценить пригодность разных архитектур «языкового моделирования» (включая BERT, T5, XLNet и ELMO) для выявления в последовательности белков скрытых паттернов. Исследователи считают, что эти незаметные на первый взгляд свойства последовательностей дают ценную информацию о функциональных признаках белков.

«Вероятно, самым примечательным результатом стало то, что эти модели глубокого обучения смогли успешно установить функциональные свойства белков, руководствуясь исключительно последовательностью аминокислот, хотя это довольно трудная задача. К тому же это хорошо согласуется с результатами других недавних исследований по предсказанию структуры (например, AlphaFold2 от Deepmind и RoseTTAFold от лаборатории Бейкера), в которых в качестве исходных данных использовали именно последовательность», — добавил Доган.

Новый подход и подобные ему методики могут иметь множество практических приложений, включая разработку персонализированных методов лечения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 10:00
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

Вчера, 15:33
Михаил Орлов

В контексте изменений климата обычно говорят о таянии ледников, однако ученые отмечают, что некоторые крупные скопления льда на Антарктическом полуострове за последние 20 лет заметно выросли. Причиной могут быть изменения атмосферной циркуляции и перераспределение массы антарктических льдов ближе к берегу.

Позавчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

20 мая
Мария Азарова

Ученые предупреждают: поскольку вес современных комбайнов и прочей сельхозтехники сегодня приближается к весу самых крупных животных, когда-либо бродивших по Земле, возникает парадокс уплотнения грунта.

Позавчера, 10:02
Сергей Васильев

Распространяясь в популяциях крупных жвачных животных, паразиты незаметно оказывают мощное влияние на целые экосистемы, позволяя растительности спокойно развиваться и процветать.

Вчера, 10:00
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

28 апреля
Мария Азарова

Авторы нового исследования составили таблицу ожидаемой продолжительностью жизни для собак 18 чистокровных пород и метисов. Кроме того, они узнали, кто живет дольше — суки или кобели, кастрированные или нет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: