Хотите получать важные новости науки?
Подписаться
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24.02.2022
Даниил Сухинов
1 365

Нейронная сеть научилась предсказывать структуру и функции любых белков

6.7

Специалисты из компании Google в сотрудничестве с Европейским институтом биоинформатики разработали нейронную сеть глубокого обучения, позволяющую предсказывать структуру, функции и свойства белков по их первичной структуре с высокой точностью. Новый инструмент позволит значительно облегчить и ускорить разработку новых лекарств и проектирование новых ферментов для промышленного производства продуктов питания, биотоплива и химикатов.

Офис Google в штате Массачусетс (США), где работает основная команда авторов исследования.
Офис Google в штате Массачусетс (США), где работает основная команда авторов исследования. / ©Kyle Paul / Автор: Telestis Scaevinius

Понимание взаимосвязи между аминокислотной последовательностью (первичной структурой) и функцией белка, а значит, и механизмом его работы, — давняя проблема молекулярной биологии и настолько же давняя мечта специалистов самых разных областей промышленности, от фармацевтической до пищевой и химической.

Для производства различных химических веществ, будь то лекарство, пищевая добавка или химикат, естественно использовать лучшие из имеющихся катализаторов — ферменты, то есть белки. Причем для каждого приложения нужен свой белок с конкретной функцией (переноса электрона или отдельных химических групп, образования или разрыва химических связей и так далее). Человек еще не научился создавать такие ферменты с нуля, поэтому подсматривает возможные решения у природы и зачастую находит их в микроорганизмах.

Несмотря на шесть десятилетий прогресса, современные методы и алгоритмы не могут определить функции трети последовательностей уже известных микробных белков, что ограничивает возможности их применения в интересах человечества. В то же время каждый день в глобальные базы данных добавляют более ста тысяч новых белковых последовательностей.

Однако для практического применения от этих данных не много пользы, если они не сопровождаются функциональными аннотациями (то есть описанием функций белка и его биологической роли в клетке).

Увеличение размера базы данных Trembl (одной из баз данных белковых последовательностей) с течением времени и соответствующее снижение доли белков, функция которых точно определена (вручную) / © Google Research/ProteInfer

Функцию белка можно выяснить экспериментально, используя ряд современных методов — анализ микрочипов, РНК-интерференцию, двугибридный анализ и другие. Но темпы экспериментального доказательства функций открытых белков сильно отстают от темпов открытия новых последовательностей, и навряд ли когда-либо их догонят.

Поэтому аннотирование новых белковых последовательностей будет проходить в основном путем предсказания на основе вычислительных методов, сравнивающих их с аминокислотными последовательностями белков с уже известными функциями, определенными экспериментально. При этом, когда возникнет необходимость в создании новой технологии производства (например того же лекарства), у ученых будут на руках предсказания нейросетей, по которым уже вручную надо будет определять наиболее подходящие белки-кандидаты и проверять их функции.

Новый вычислительный метод определения функций и свойств белков предлагает команда специалистов из Google Research (Кембридж, Массачусетс, США) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории Европейского института биоинформатики (EMBL-EBI). Они разработали нейронную сеть глубокого обучения, предсказывающую не только функцию белка и его биологическую роль в клетке, но и его структуру, и функциональные эффекты мутаций (точечных изменений аминокислотной последовательности).

Производительность нейросети ProteInfer для прогнозов по всем 7 основным группам ферментов, представленная в виде кривых точности-отзыва, созданных путем изменения порога принятия решения, при котором делается прогноз. / ©Google research/ProteInfer

Используя свой алгоритм, обученный на всемирной базе данных семейств аннотированных белковых доменов Pfam, исследователи дополнили ее новыми аннотациями с указанием функций белков с давно расшифрованной аминокислотной последовательностью. В итоге количество записей в базе данных выросло почти на 10%, включая 360 новых записей о функциях белков человека. По словам авторов, это самое большое обновление Pfam за последние 10 лет.

Разработка американских биоинформатиков призвана значительно упростить и ускорить так называемый драг-дизайн — направленную разработку новых лекарств с учетом строения и трехмерной структуры молекул-мишеней (зачастую именно белков), на которые это лекарство будет действовать. Кроме того, знание структуры белков и понимание механизмов их работы позволят облегчить разработку новых биотехнологических ферментов для пищевой, химической и энергетической промышленностей.

Статья с результатами исследования представлена в журнале Nature Biotechnology.

Помимо этого, авторы опубликовали интерактивную научную статью с подробным описанием работы их нейронной сети, оценками ее производительности и сравнением с аналогичными методами других проектов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

Вчера, 17:23
Людмила Соколова

Чтобы понять, как часто за пределами Солнечной системы встречаются миры, похожие на Землю, ученые из Калифорнийского университета (США) провели статистический анализ 517 экзопланет. Результаты показали, что всего три мира, включая наш, соответствуют критериям потенциальной обитаемости. Наиболее перспективными из них оказались Kepler-22b и Kepler-538b.

Вчера, 11:35
Игорь Байдов

Команда исследователей из Италии и США предложила два способа, с помощью которых гипотетический зонд сможет быстро добраться до одного из самых отдаленных и малоизученных объектов Солнечной системы. Речь о Седне — транснептуновом теле, которое находится за орбитой Плутона. По мнению инженеров, эти передовые технологии смогут доставить аппарат к Седне за семь и 10 лет.

Позавчера, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

25 июня
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

Вчера, 17:23
Людмила Соколова

Чтобы понять, как часто за пределами Солнечной системы встречаются миры, похожие на Землю, ученые из Калифорнийского университета (США) провели статистический анализ 517 экзопланет. Результаты показали, что всего три мира, включая наш, соответствуют критериям потенциальной обитаемости. Наиболее перспективными из них оказались Kepler-22b и Kepler-538b.

17 июня
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
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
Закрыть
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