Искусственный интеллект решил проблему фолдинга белков — Naked Science
01.12.2020
Сергей Васильев
1

Искусственный интеллект решил проблему фолдинга белков

6.9

Нейросеть AlphaFold впервые в истории смогла точно предсказать пространственную форму сложных белков по их аминокислотной последовательности.

©Argonne National Laboratory

Искусственный интеллект решил задачу, которая уже около полувека остается одной из самых актуальных для биологии: предсказание третичной структуры белков по первичной. Теперь, зная аминокислотную последовательность крупной белковой молекулы, можно будет рассчитать ее трехмерную пространственную конфигурацию. О достижении сообщается в пресс-релизе, распространенном британским стартапом DeepMind.

Дело в том, что свойства и функции белков определяются их трехмерной структурой, и многие важные находки о том, как именно они работают, сделали на основе именно таких структур. Десятилетиями для этого применяют такие методы, как рентгеновская кристаллография, ядерный магнитный резонанс или криоэлектронная микроскопия — длительные, сложные и трудоемкие. Однако даже они не всегда справляются; в результате сегодня установлены 3D-структуры примерно 170 тысяч белков из около 200 миллионов, известных науке.

Между тем в природе третичная структура белков определяется первичной — последовательностью аминокислот, которые образуют цепочки этих молекул: они складываются естественным образом, сами по себе. Этот процесс называют «укладкой», фолдингом белка. Неудивительно, что долгие годы ученые стремились к тому, чтобы моделировать его математически. Задача оказалась настолько сложна, что даже применение суперкомпьютеров здесь не слишком помогло: число вариантов, которые требуется рассчитать для молекул, состоящих из сотен аминокислот, получается астрономическим.

©DeepMind

Чтобы стимулировать работы в этом направлении, с 1994-го каждые два года проводят испытания CASP (Critical Assessment of protein Structure Prediction — «Критическая оценка предсказания структуры белков»). Создатели подобных проектов и алгоритмов со всего мира получают аминокислотные последовательности примерно сотни белков, структуры которых еще неизвестны, и пытаются вычислить их с помощью своих моделей. Параллельно в лабораториях работают ученые, действующие «классическими» методами структурной биологии. Затем полученные структуры сравнивают, вычисляя величину совпадения — GDT.

Значения GDT от 90 до 100 считают точным предсказанием структуры, и для коротких пептидов, состоящих из нескольких десятков аминокислот этого удалось добиться еще в 1990-х. Однако для белков, включающих сотни аминокислот, GDT долгие годы держались на «позорном» уровне — около 20. Лишь несколько лет назад, используя сложнейшие алгоритмы, эту цифру удалось довести до 40, чего по-прежнему недостаточно.

Средние результаты GDT на конкурсах прошлых лет и 2020-го; красная линия — результаты AlphaFold. Значения на оси абсцисс соответствуют сложности моделируемых белков / ©Chris Bickel, Science

С 2018 года в конкурсе CASP участвует и проект AlphaFold, который разрабатывает британская компания DeepMind — та самая, в которой ранее создали ИИ, побеждающий профессионалов игры го. Уже тогда AlphaFold оказался лидером рейтинга, продемонстрировав GDT на уровне до 60 даже для сложнейших структур. К конкурсу 2020 года ИИ усовершенствовали и обучили на 170 тысячах известных белковых структур. На испытаниях он оказался способен предсказывать фолдинг со средним GDT более 92 и свыше 87 — для наиболее сложных молекул.

Специалисты уже называют это событие одним из важнейших прорывов последних лет. Возможно, вскоре нейросети позволят рассчитывать трехмерные структуры белков «на лету», по мере необходимости. Задача, которая прежде была настолько сложна, что авторы некоторых таких работ удостаивались Нобелевской премии, станет рутиной.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
30 июля
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

30 июля
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

31 июля
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

01.12.2020
-
0
+
Хоть какое-то полезное применение ИИ на нейросетях нашли
Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: