Ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης που ανέπτυξε η εταιρεία DeepMind (ιδιοκτησίας Google) κατάφερε ένα γιγαντιαίο άλμα προς την επίλυση ενός εκ των μεγαλύτερων μυστήριων της βιολογίας, την χαρτογράφηση της τρισδιάστατης δομής πρωτεϊνών.
Το πρόγραμμα AlphaFold συνέτριψε τους «ανταγωνιστές» στον διεθνή επιστημονικό διαγωνισμό CASP (Critical Assessment of protein Structure Prediction) και κατάφερε να σκιαγραφήσει την δομή μιας πρωτεΐνης με μοναδικό οδηγό την ακολουθία των αμινοξέων της. Το AlphaFold προέβλεψε χωρίς σφάλμα τα δύο τρίτα της δομής των πρωτεϊνών.
Μέσα σε λίγες μέρες, ο αλγόριθμος έκανε πρόοδο για την οποία οι επιστήμονες χρειάζονται χρόνια δαπανηρών ερευνών στα εργαστήρια τους. «Έμεινα πραγματικά έκθαμβος, όταν το είδα. Δεν περίμενα ποτέ να ζήσω κάτι τέτοιο», δήλωσε ο δομικός βιολόγος του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, δρ. Τζον Μουλτ, ένας εκ των διοργανωτών του διεθνούς διαγωνισμού που ξεκίνησε το 1994 και γίνεται κάθε δύο χρόνια.
Η δυνατότητα πρόβλεψης της δομής μια πρωτεΐνης θα έδινε πρωτοφανή ώθηση στις βιολογικές επιστήμες και την επιστήμη των φαρμάκων, επισπεύδοντας τις προσπάθειες κατανόησης των δομικών στοιχείων των κυττάρων και επιτρέποντας την ταχύτερη παρασκευή εξελιγμένων φαρμάκων.
«Αλλάζει για πάντα τα δεδομένα», σχολίασε ο εξελικτικός βιολόγος του Ινστιτούτου Αναπτυξιακής Βιολογίας Μαξ Πλανκ, Αντρέι Λούπας. Το πρόγραμμα AlphaFold έχει ήδη βοηθήσει τον Λούπας να βρει την δομή μιας πρωτεΐνης που «ταλαιπωρούσε» το εργαστήριό του επί μία δεκαετία. «Αυτό θα αλλάξει την φαρμακευτική. Θα αλλάξει την έρευνα. Θα αλλάξει την βιο-μηχανική. Θα αλλάξει τα πάντα».
Το «δομικό πρόβλημα»
Οι πρωτεΐνες είναι οι δομικοί λίθοι της ζωής, υπεύθυνες για σχεδόν όλα όσα συμβαίνουν στο εσωτερικών των κυττάρων. Η λειτουργία μιας πρωτεΐνης καθορίζεται από την τρισδιάστατη δομή της - «η δομή είναι λειτουργία» είναι άλλωστε ένα από τα αξιώματα της μοριακής βιολογίας. Οι πρωτεΐνες υιοθετούν ένα σχήμα χωρίς εξωτερικές επιδράσεις, καθοδηγούμενες από τους νόμους της φυσικής.
Οι δεκάδες χιλιάδες διαφορετικές πρωτεΐνες διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στην υγεία των οργανισμών και στις ασθένειες - για παράδειγμα ο κορωνοϊός Sars Cov 2 που προκαλεί τη νόσο Covid-19, καταφέρνει να εισδύσει στα ανθρώπινα κύτταρα χάρη σε μία προεξέχουσα ακίδα - πρωτεΐνη που δομικά «ξεκλειδώνει» μια πρωτεΐνη-υποδοχέα στα ανθρώπινα κύτταρα.
Σε αντίθεση με το σχήμα που δύσκολα το «μαντεύει» κανείς, οι βιολόγοι μπορούν εύκολα να αναλύσουν την αλληλουχία των αμινοξέων που καθορίζουν την δομή των πρωτεϊνών. Ο Λούπας προβλέπει ότι η πραγματική επανάσταση θα επιτευχθεί, όταν πλέον οι επιστήμονες θα μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο τους υπολογιστές για να προβλέπουν πώς οι πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια.
Για δεκαετίες, εργαστηριακά πειράματα στόχευαν στην χαρτογράφηση των πρωτεϊνών, τις περισσότερες φορές με μηδενικά αποτελέσματα. Από τη δεκαετία 1950 οι επιστήμονες έκαναν χρήση ακτίνων Χ με τις οποίες στόχευαν κρυσταλλικές πρωτεΐνες. Από την περίθλαση του φωτός, ήταν σε θέση να υποθέσουν τις «ατομικές συντεταγμένες» και η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ είχε μέχρι σήμερα την μερίδα του λέοντος στην σκιαγράφηση πρωτεϊνών, χωρίς όμως ιδιαίτερα ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Εκτός από ανακριβή, τα πειράματα αυτά είναι ιδιαιτέρως χρονοβόρα και έχουν μεγάλο κόστος. Οι προβλέψεις AlphaFold ήταν σε ορισμένες περιπτώσεις πανομοιότυπες με αυτές των επιτυχημένων κρυσταλλογραφικών μεθόδων και των προσεγγίσεων με κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM). Οι επιστήμονες ελπίζουν πως η Τεχνητή Νοημοσύνη κάνει τώρα δυνατή την μελέτη της ζωής με εντελώς ρηξικέλευθους τρόπους.
Και δεν έχουν άδικο αφού ο αλγόριθμος AlphaFold ήδη προέβλεψε σωστά τα σχήματα αρκετών πρωτεϊνών του κορωνοϊού SARS-CoV-2. Στο μέλλον πιθανόν να προβλέπει ποια από τα χιλιάδες φάρμακα προσδένονται σωστά στις κρίσιμες πρωτεΐνες και μπορούν να λειτουργήσουν θεραπευτικά.
Η DeepMind υποσχέθηκε να διασφαλίσει ευρεία πρόσβαση επιστημόνων στα «σωτήρια» προγράμματά της.
Με πληροφορίες από Nature
σχόλια