Огромные достижения в области компьютерных наук интеллекта открывают ряд возможностей, и благодаря этому теперь биологи могут создавать настоящие молекулы в кратчайшие сроки вместо долгих недель или даже месяцев. Недавно Южная Корея одобрила вакцину против коронавируса, которая будет создана из нового белка, созданного людьми. Лекарство основано на сферических белковых «наночастицах», полученных в результате сложного процесса проб и ошибок.
Искусственный интеллект определяет форму почти всех известных белков
Решения искусственного интеллекта, такие как программное обеспечение AlphaFold от DeepMind, которое может предсказывать структуру белков, активно применяются в исследовательских целях. В прошлом это была сложная задача с высокой вероятностью неудач. Ученые и ряд компаний, которые используют искусственный интеллект для создания ферментов, стремятся создать белки, которые могут оказывать благотворное воздействие на человеческий организм, от избавления от опасных патогенов до лечения болезней. Среди организаций, которые преследуют эту цель, — DeepMind и Meta.
Разработка белков с нуля
Попытка создать первые белки относится к 1990-м годам, когда в лаборатории Бейкера в университете Вашингтона был применен софт под названием Rosetta для исследований в этой сфере. Первые белки, сконструированные с помощью программного обеспечения, в большинстве случаев не принимали ожидаемой формы при их создании в лаборатории. Вот почему был необходим новый шаг, чтобы наладить связь белков таким образом, чтобы она принимала исключительно ожидаемую форму.
С AlphaFold и другими программами ИИ этот медленный процесс стал очень быстрым. Инструментам ИИ было поручено прогнозировать структурный ряд разных цепей полипептидов. Но биологи увидели, что такое программное обеспечение может также создавать сборки из ряда белков, которые формируют функциональные взаимодействия. На данный момент они уверенны, что могут создать ферменты, которые будут собираться в наночастицы различных форм и параметров. Такие белки состояли бы из ряда дубликатов одного белка и были бы подобны тем, на которых создана вакцина против COVID.
Революция глубокого обучения
Лаборатория Бейкера — не единая организация, применяющая искусственный интеллект для создания белка. По данным bioRxiv, электронному архиву научных статей и препринтов по биологии, за последние годы стало доступно более 40 программ ИИ, в которых применяются различные методы.
Большинство этих программ имеют дело с проблемой алгоритма прямого-обратного хода: они устанавливают взаимосвязь, которая соответствует конкретной структуре, часто применяя методы, используемые в программном обеспечении для распознавания картинок. Другие основаны на архитектуре, близкой к системам обработки естественного языка, которые создают тексты; однако вместо текстов программы определяют последовательность белков.
Последующие исследования
Ученые из университета Вашингтона уверены, что получение белков в лабораторных условиях является убедительной проверкой их методов. Но не все биологи, работающие над программным обеспечением искусственного интеллекта для разработки ферментов, имеют беспрепятственный доступ к исследовательским установкам, и это является сложной задачей для проверки их результатов, поскольку поиск места для проведения исследований может длиться чрезмерно долго.
Исследования также будут иметь большое значение, когда дело дойдет до создания белков для определенных задач. Для этой цели лаборатория Бейкера поделилась несколькими механизмами искусственного интеллекта, которые позволяют ученым внедрять конкретную последовательность в новые белки. Эти методы были полезны при разработке белков, которые способствуют некоторым реакциям:
- белки, способные присоединяться к другим молекулам; и
- белки, которые потенциально могут быть применены в лекарствах против респираторных вирусов.
