|
ИИ революционизирует исследования в области медицины
|
|
|
|
Машина глубокого обучения AlphaFold, созданная исследовательской лабораторией Google DeepMind, уже меняет наше понимание молекулярной биологии, лежащей в основе здоровья и болезней. Половина Нобелевской премии по химии за 2024 год досталась Дэвиду Бейкеру из Вашингтонского университета в США, а другая половина была присуждена совместно Демису Хассабису и Джону М. Джамперу из лондонской компании Google DeepMind.
|
|
|
|
Если вы не слышали об AlphaFold, возможно, вам будет трудно оценить, насколько важной она становится для исследователей. Но, будучи бета-тестером программного обеспечения, я смог воочию убедиться, как эта технология позволяет за считанные минуты выявить молекулярные структуры различных белков. Исследователям потребовались бы месяцы или даже годы, чтобы выявить эти структуры в лабораторных экспериментах.
|
|
|
|
Эта технология может проложить путь к новым революционным методам лечения и лекарствам. Но сначала важно понять, что делает AlphaFold.
|
|
|
|
Белки образуются с помощью ряда молекулярных "шариков", созданных из 20 различных аминокислот, имеющихся в организме человека. Эти шарики образуют длинную цепочку, которая складывается в механическую форму, необходимую для функционирования белка.
|
|
|
|
|
|
|
Их последовательность определяется ДНК. И хотя исследование ДНК означает, что мы знаем порядок расположения шариков, из которых состоит большинство белков, предсказать, как цепочка складывается в каждую "трехмерную машину", всегда было сложной задачей.
|
|
|
|
Эти белковые структуры лежат в основе всей биологии. Ученые изучают их так же, как вы могли бы разобрать часы на части, чтобы понять, как они работают. Разберитесь в деталях и соберите целое: то же самое происходит и с человеческим организмом.
|
|
|
|
Белки крошечные, и их огромное количество находится внутри каждой из 30 триллионов наших клеток. Это означало, что в течение десятилетий единственным способом выяснить их форму были трудоемкие экспериментальные методы — исследования, которые могли занять годы.
|
|
|
|
На протяжении всей своей карьеры я, как и многие другие ученые, занимался подобными исследованиями. Каждый раз, когда мы выясняем структуру белка, мы помещаем ее в глобальную базу данных под названием Protein Data Bank, которой может бесплатно пользоваться любой желающий.
|
|
|
|
Специалисты AlphaFold изучили эти структуры, большинство из которых были обнаружены с помощью рентгеновской кристаллографии. Для этого метода белки тестируются в тысячах различных химических состояний, с различиями в температуре, плотности и рН. Исследователи используют микроскоп, чтобы определить условия, при которых каждый белок выстраивается в определенную формацию. Затем их просвечивают рентгеновскими лучами, чтобы определить пространственное расположение всех атомов в этом белке.
|
|
|
|
Обучившись работе с этими структурами, AlphaFold теперь может предсказывать структуру белка со скоростью, которая ранее была невозможна.
|
|
|
|
Я начал свою карьеру в самом начале, в конце 90-х, разрабатывая структуры белков, используя магнитные свойства их ядер. Я сделал это с помощью технологии, называемой спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которая использует огромный магнит, похожий на МРТ-сканер. Этот метод начал терять популярность из-за определенных технических ограничений, но сейчас он возрождается благодаря AlphaFold.
|
|
|
|
ЯМР - один из немногих методов, который позволяет исследовать молекулы в движении, вместо того чтобы держать их неподвижными внутри кристалла или на решетке электронного микроскопа.
|
|
Захватывающий опыт
|
|
|
|
В марте 2024 года исследователи из DeepMind обратились ко мне с просьбой провести бета-тестирование AlphaFold3, последней версии программного обеспечения, которая на тот момент была близка к выпуску.
|
|
|
|
Я никогда не был геймером, но почувствовал, как это затягивает, потому что, получив доступ, все, чего я хотел, - это часами пробовать молекулярные комбинации. Помимо молниеносной работы, в этой новой версии появилась возможность включать более крупные и разнообразные молекулы, включая ДНК и металлы, а также возможность модифицировать аминокислоты, имитируя химические сигналы в клетках.
|
|
|
|
Наша лаборатория в Королевском колледже Лондона использовала рентгеновскую кристаллографию, чтобы предсказать структуру, образованную двумя бактериальными белками, которые при взаимодействии слабо связаны с больничными супербактериями. Предыдущие версии AlphaFold предсказывали отдельные компоненты, но никогда не могли правильно составить комплекс, однако в этой новой версии проблема была решена с первой попытки.
|
|
|
|
Понимание движущихся частей и динамики белков - это новый рубеж, теперь, когда мы можем предсказывать статическую форму белков с помощью AlphaFold. Белки бывают самых разных форм и размеров. Они могут быть жесткими или гибкими, или состоять из четко структурированных элементов, соединенных гибкими петлями.
|
|
|
|
Динамика необходима для функционирования белка. Как сказал другой нобелевский лауреат, Ричард Фейнман: "Все, что делают живые существа, можно понять с точки зрения движения атомов".
|
|
|
|
Еще одной замечательной особенностью методов магнитного резонанса является то, что они позволяют точно измерять расстояния между атомами. Таким образом, после нескольких тщательно спланированных экспериментов результаты в альфа-формате могут быть проверены в лаборатории.
|
|
|
|
В других случаях результаты все еще неоднозначны. Над этим работают структурные биологи-экспериментаторы, такие как моя команда, и специалисты в области вычислительной техники.
|
|
|
|
Признание, которое приходит с Нобелевской премией, только подстегнет стремление понять все молекулярные механизмы и, надеюсь, изменит правила игры, когда дело дойдет до лекарств, вакцин и здоровья человека.
|
|
|
|
Источник
|
