Прорыв 2021 года в науке: Предсказание белков с помощью искусственного интеллекта

Почти 50 лет ученые пытались решить одну из самых сложных задач природы - предсказать, в какую сложную трехмерную форму будет складываться цепочка аминокислот, превращаясь в работающий белок. В этом году ученые доказали, что программное обеспечение на основе искусственного интеллекта может достичь этой давней цели и предсказывать точные структуры белков. В честь этого достижения журнал Science назвал предсказание белков с помощью искусственного интеллекта прорывом года в 2021 году.

Как отмечает главный редактор журнала Science Холден Торп в редакционной статье,

Это прорыв на двух фронтах. Во-первых, он решает научную проблему, которая была в списке дел на протяжении 50 лет... Во-вторых, это принципиально новая технология, которая, подобно CRISPR¹ или криоэлектронной микроскопии², значительно ускорит научные открытия.

Белки - это строительные блоки жизни, и их функции - центральные почти для всех биологических процессов - напрямую связаны с их трехмерной формой. Когда-то определение структуры белка было трудоемким и дорогостоящим процессом, требующим сложных лабораторных анализов. И, хотя попытки разработать компьютерные модели, способные решить проблему фолдинга (свертывания) белков, продолжались десятилетиями, точное предсказание структуры белков ускользало от исследователей до тех пор, пока две основополагающие работы, опубликованные одновременно в журналах Nature и Science, не представили модели AlphaFold и RoseTTA-fold, соответственно. Оба подхода демонстрируют способность быстро и точно предсказывать широкий спектр сложных белковых структур, основываясь исключительно на содержащихся в них аминокислотах, каждая из которых обладает определенными химическими свойствами (например, полярности и гидрофобности). Более того, авторы обеих групп сделали свои данные свободно доступными для исследователей, значительно расширив доступность получения белковых структур.

Напомним, что в число претендентов на звание "Прорыв года" входят разработка противовирусных таблеток для борьбы с COVID-19, новые измерения мюона, сейсмические наблюдения с Марса, извлечение ДНК древнего человека из почвы, применение CRISPR в естественных условиях, новое понимание раннего развития человека, использование психоделических препаратов для лечения ПТСР, разработка лабораторных моноклональных антител для лечения инфекционных заболеваний и достижения в области термоядерной энергетики.

¹ CRISPR (вернее - CRISPR/Cas9) — это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе этой системы — особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

² Криоэлектронная микроскопия (КриоЭМ) - это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуется при криогенных температурах. КриоЭМ набирает популярность в структурной биологии, так как позволяет наблюдать за образцами, которые не были окрашены или каким-либо образом зафиксированы, показывая их в их родной среде.