Белки содержатся во всех живых организмах и являются основой для выживания клеток. Они играют центральную роль в химических процессах, необходимых для жизни.
Белки состоят из полипептидных цепочек, образованных путем соединения аминокислот в определенном порядке, которые складываются бесчисленными способами в разнообразные тонкие формы, и это является ключом к их жизненно важной роли в организме.
Многие заболевания связаны с ролью, которую играют белки, например, это могут быть ферменты, запускающие химические реакции, антитела, которые борются с болезнями, или гормон инсулин, который действует как химический мессенджер.
Доктор Джон Моулт из Университета Мэриленда, США, был председателем научного жюри. Он объясняет, что даже самая незначительная перестройка этих белковых молекул может оказать катастрофическое влияние на здоровье человека. Поэтому изучение белков необходимо для понимания болезней и поиска новых методов лечения.
Далее Мольт объяснил, что существуют тысячи одних только человеческих белков и миллиарды других, включая белки бактерий и вирусов. В настоящее время людям требуются годы и дорогостоящее оборудование, чтобы попытаться расшифровать форму только одного белка.
Гонка прогнозов
В 1972 году американский биолог Кристиан Анфинсен был удостоен Нобелевской премии за работу по изучению связи между последовательностями аминокислот и биологически активными конформациями.
Анфинсен утверждал, что форму белка можно определить по последовательности входящих в его состав аминокислот.
С тех пор каждые два года десятки исследовательских групп в более чем 20 странах мира пытались заставить компьютеры предсказать форму около 100 белков на основе их аминокислотных последовательностей.
Тем временем биологи в лаборатории используют традиционные методы, такие как рентгеновская кристаллография и спектроскопия ЯМР, для определения трехмерной структуры белков, чтобы понять относительное положение каждого атома в молекуле белка.
Впоследствии в процесс определения структуры белков были вовлечены специализированные группы ученых CASP (Community Wide Experiment on the Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction). 3D-структуры белков, предсказанные на компьютере, сравнивались с 3D-структурами, полученными лабораторными методами.
Комиссия CASP сравнила точность прогнозов каждой команды по шкале 0-100. ИИ AlphaFold компании DeepMind набрал 90 баллов, что сопоставимо с прогнозами лаборатории.
ИИ учится с поразительной скоростью
Уникальный белок позвоночника нового коронавируса (красным цветом)
В последнем раунде предсказаний (Casp-14) две трети форм белков, предсказанных AlphaFold, точно соответствовали лабораторным результатам, в то время как другие получили хорошие оценки, но не достигли такого же уровня точности.
AlphaFold использует алгоритм глубокого обучения для изучения и исследования 3D-форм известных белков, хранящихся в глобальной базе данных. Структура этих сложенных белков представлена в виде пространственной карты.
Хелен Бриггс, корреспондент Би-би-си по научным вопросам, сказала, что ИИ обучается с такой поразительной скоростью, что может за несколько дней достичь уровня десятилетий лабораторных исследований.
Использование и последствия
Выяснение трехмерной структуры белков имеет решающее значение для разработки новых лекарств и понимания болезней, включая рак, слабоумие и инфекционные заболевания.
Например, в случае с вирусом Neocrown ученые пытались изучить, как белок spike-in на поверхности вируса Neocrown взаимодействует с рецепторами в клетках человека.
Профессор Мартин из Университетского колледжа Лондона рассказал BBC, что понимание того, как последовательности белков складываются в трехмерные формы, на самом деле является одним из самых фундаментальных вопросов в биологии. Он объяснил, что функция белка полностью зависит от формы его трехмерной структуры, и что функция белка - это все, что связано с нашим здоровьем и болезнями.
Поэтому понимание трехмерной структуры белков помогает людям разрабатывать новые лекарства и бороться с болезнями, будь то генетические или инфекционные.
Одна из величайших загадок биологии
Профессор Дама Джанет Торнтон из Европейского института биоинформатики говорит, что складывание белков в их уникальную и красивую трехмерную структуру является одной из величайших загадок биологии.
Она объясняет, что лучшее понимание и предсказание структуры белков будет означать, что люди смогут лучше понять жизнь, эволюцию и такие вопросы, как болезни и здоровье.
Далее ученые надеются протестировать данные, чтобы определить, насколько точным и детальным является подход ИИ.
В настоящее время в знаниях человека о белках все еще существуют пробелы, включая то, как несколько белков подходят друг другу и как белки взаимодействуют с другими молекулами, такими как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).
Доктор Крставич сказал, что структура одного белка уже в значительной степени раскрыта. Это открывает путь к новому способу поиска структурной формы белковых комплексов в будущем. Именно совместное действие этих многочисленных белковых комплексов формирует основные механизмы жизни, а также другие функции.
