AI-generated-protein-structure

porĀ Shelly Fan

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AI generated protein structure

Los científicos de DeepMind y la Universidad de Washington describen métodos basados en el aprendizaje profundo para resolver plegamiento de proteínas, la última etapa de ejecución de la programación en nuestro ADN.

Las proteĆ­nas son los secuaces de la vida. Forman nuestros cuerpos, alimentan nuestro metabolismo y son el objetivo de la mayor parte de la medicina actual. Comienzan como una simple cinta, traducida del ADN y, posteriormente, se pliegan en intrincadas arquitecturas tridimensionales. Al igual que los Transformers, muchas unidades de proteĆ­nas se ensamblan en complejos masivos y móviles que cambian su estructura segĆŗn sus necesidades funcionales en el momento.

Las proteĆ­nas mal plegadas pueden ser devastadoras y causar problemas de salud desde la anemia de cĆ©lulas falciformes hasta el cĆ”ncer y la enfermedad de Alzheimer . Uno de los mayores desafĆ­os de la biologĆ­a durante los Ćŗltimos 50 aƱos ha sido descifrar cómo una estructura simple en forma de cinta unidimensional se convierte en formas tridimensionales, equipadas con caƱones, crestas, valles y cuevas. Es como si un extraterrestre estuviera leyendo las coordenadas de cientos de ubicaciones en un mapa del Gran Cañón en un cuaderno y reconstruyĆ©ndolo en un holograma 3D de la cosa real, sin siquiera verlo o saber cómo deberĆ­a verse.

Si. Es dificil. “Mucha gente se ha roto la cabeza”, dijo el Dr. John Moult de la Universidad de Maryland.

No es solo un ejercicio acadĆ©mico. La resolución del genoma humano allanó el camino para la terapia gĆ©nica, los avances en el cĆ”ncer CAR-T y la infame herramienta de edición de genes CRISPR . Descifrar el plegamiento de proteĆ­nas estĆ” destinado a iluminar un panorama biológico completamente nuevo que no hemos podido estudiar o manipular. El rĆ”pido y furioso desarrollo de las vacunas Covid-19 se basó en que los cientĆ­ficos analizaran mĆŗltiples objetivos proteicos del virus, incluidas las proteĆ­nas de pico a las que se dirigen las vacunas. Muchas proteĆ­nas que conducen al cĆ”ncer hasta ahora han estado fuera del alcance de los medicamentos porque su estructura es difĆ­cil de precisar.

Con estas nuevas herramientas de inteligencia artificial , los cientĆ­ficos podrĆ­an resolver inquietantes misterios mĆ©dicos mientras se preparan para abordar los aĆŗn desconocidos. Establece el escenario para comprender mejor nuestra biologĆ­a, informar sobre nuevos medicamentos e incluso inspirar la biologĆ­a sintĆ©tica en el futuro.

ā€œLo que el equipo de DeepMind ha logrado es fantĆ”stico y cambiarĆ” el futuro de la biologĆ­a estructural y la investigación de proteĆ­nasā€, dijo la Dra. Janet Thornton, directora emĆ©rita del Instituto Europeo de BioinformĆ”tica.

“Nunca pensĆ© que verĆ­a esto en mi vida”, agregó Moult.

Nacimiento de una proteĆ­na

Imagina la vida como un videojuego. Si el ADN es el código base de fondo, entonces las proteĆ­nas son su ejecución, el juego real al que juegas. Cualquier error en el ADN podrĆ­a provocar un bloqueo en el programa, pero tambiĆ©n podrĆ­a ser benigno y permitir que el juego se ejecute como de costumbre. En otras palabras, la mayorĆ­a de la medicina moderna, como los jugadores, solo se preocupa por el juego final, las proteĆ­nas, en lugar del código fuente que conduce a Ć©l, a menos que algo salga mal. Desde medicamentos para la diabetes hasta antidepresivos y senolĆ­ticos que potencialmente prolongan la vida , todos estos medicamentos actĆŗan adhiriĆ©ndose a las proteĆ­nas en lugar del ADN.

Es por eso que descifrar la estructura de las proteĆ­nas es tan importante: como la llave de una cerradura, un medicamento solo puede acoplarse a una proteĆ­na en puntos especĆ­ficos. De manera similar, las proteĆ­nas a menudo forman un equipo al unirse en un complejo para ejecutar las funciones de su cuerpo, por ejemplo, formar una memoria o desencadenar un ataque inmunológico contra un virus.

Las proteĆ­nas estĆ”n formadas por bloques de construcción llamados aminoĆ”cidos, que a su vez estĆ”n programados por el ADN. Al igual que la piedra de Rosetta, nuestras cĆ©lulas pueden traducir fĆ”cilmente el código de ADN en bloques de construcción de proteĆ­nas dentro de una estructura similar a una concha de almeja, que escupe una cadena de aminoĆ”cidos unidimensionales. Estas cintas luego se mezclan a travĆ©s de una infraestructura celular completa que permite que la proteĆ­na se pliegue en su estructura final.

En la dĆ©cada de 1970, el Dr. Christian Anfinsen, ganador del Premio Nobel, afirmó que la secuencia unidimensional en sĆ­ misma puede predecir computacionalmente la estructura 3D de una proteĆ­na. El problema es el tiempo y el poder: como intentar piratear una contraseƱa con cientos de caracteres suspendidos en el espacio 3D, las posibles soluciones son astronómicas.

Pero ahora tenemos una herramienta que supera a los humanos en la búsqueda de patrones: el aprendizaje automÔtico.

Ingrese AI

En 2020, DeepMind sorprendió a todo el campo con su entrada en una competencia bienal heredada. Apodada CASP (Evaluación crĆ­tica de la predicción de la estructura de la proteĆ­na), la prueba de dĆ©cadas utiliza mĆ©todos de laboratorio tradicionales para determinar la estructura de la proteĆ­na como base para juzgar los algoritmos de predicción.

La lĆ­nea de base es difĆ­cil de conseguir. Se basa en laboriosas tĆ©cnicas experimentales que pueden llevar meses o incluso aƱos. Estos mĆ©todos a menudo “congelan” una proteĆ­na y mapean su estructura interna hasta el nivel atómico usando rayos X. Muchas proteĆ­nas no pueden tratarse de esta manera sin perder su estructura natural, pero el mĆ©todo es el mejor que tenemos actualmente. Luego, las predicciones se comparan con este estĆ”ndar de oro para juzgar el algoritmo subyacente.

El aƱo pasado, DeepMind sorprendió a todos con su IA, lo que hizo desaparecer a otros competidores. En ese momento, fueron una broma, revelando pequeƱos detalles sobre su mĆ©todo ” increĆ­blemente emocionante ” que coincidĆ­a con los resultados experimentales en precisión. Pero la presentación de 30 minutos inspiró a la Dra. Minkyung Baek de la Universidad de Washington a desarrollar su propio enfoque.

Baek utilizó una estrategia de aprendizaje profundo similar, descrita en un artĆ­culo publicado en Science esta semana. La herramienta, RoseTTAFold, considera simultĆ”neamente tres niveles de patrones. El primero examina los componentes bĆ”sicos de los aminoĆ”cidos de una proteĆ­na y los compara con todas las demĆ”s secuencias de una base de datos de proteĆ­nas.

A continuación, la herramienta examina cómo interactĆŗan los aminoĆ”cidos de una proteĆ­na con otra dentro de la misma proteĆ­na, por ejemplo, examinando la distancia entre dos bloques de construcción distantes. Es como mirar tus manos y pies completamente estirados en lugar de hacer una flexión hacia atrĆ”s, y medir la distancia entre esas extremidades mientras te “doblas” en una pose de yoga.

Finalmente, la tercera pista analiza las coordenadas 3D de cada Ć”tomo que forma un bloque de construcción de proteĆ­nas, algo asĆ­ como mapear los postes en un bloque de Lego, para compilar la estructura 3D final. La red luego rebota de un lado a otro entre estas pistas, de modo que una salida pueda actualizar otra pista.

Los resultados finales se acercaron a los de la herramienta de DeepMind, AlphaFold2, que coincidió con el estĆ”ndar de oro de las estructuras obtenidas de los experimentos. Aunque RoseTTAFold no era tan preciso como AlphaFold2, aparentemente requerĆ­a mucho menos tiempo y energĆ­a. Para una proteĆ­na simple, el algoritmo pudo resolver la estructura usando una computadora para juegos en aproximadamente 10 minutos.

RoseTTAFold tambiĆ©n fue capaz de abordar el problema del “ensamblaje de proteĆ­nas”, ya que podĆ­a predecir la estructura de las proteĆ­nas, compuestas por mĆŗltiples unidades, simplemente mirando la secuencia de aminoĆ”cidos. Por ejemplo, pudieron predecir cómo la estructura de una molĆ©cula inmune se fija en su objetivo. Muchas funciones biológicas dependen de estos apretones de manos entre proteĆ­nas. Ser capaz de predecirlos mediante un algoritmo abre la puerta a la manipulación de procesos biológicos (sistema inmunológico, accidente cerebrovascular, cĆ”ncer, función cerebral) a los que antes no podĆ­amos acceder.

Hackear el cuerpo

Desde el lanzamiento público de RoseTTAFold en julio, se ha descargado cientos de veces, lo que permite a otros investigadores responder a sus desconcertantes preguntas sobre la secuencia de proteínas, lo que puede ahorrar años de trabajo y mejorar colectivamente el algoritmo.

“Cuando hay un avance como este, dos aƱos despuĆ©s, todos lo estĆ”n haciendo tan bien, si no mejor, que antes”, dijo Moult.

Mientras tanto, DeepMind también estÔ lanzando su código AlphaFold2, el que inspiró a Baek.

En un nuevo artĆ­culo publicado en Nature , el equipo de DeepMind describió su enfoque del misterio de 50 aƱos. El quid fue integrar mĆŗltiples fuentes de información — la evolución de una proteĆ­na y sus limitaciones fĆ­sicas y geomĆ©tricas — para construir un sistema de dos pasos que mapee una proteĆ­na dada con una precisión asombrosamente alta.

Presentado por primera vez en la reunión de CASP, el Dr. Demis Hassabis, fundador y CEO de DeepMind, estĆ” listo para compartir el código con el mundo. ā€œNos comprometimos a compartir nuestros mĆ©todos y brindar un acceso amplio y gratuito a la comunidad cientĆ­fica. Hoy damos el primer paso para cumplir con ese compromiso compartiendo el código de fuente abierta de AlphaFold y publicando la metodologĆ­a completa del sistema “, escribió, y agregó que” estamos emocionados de ver quĆ© otras nuevas vĆ­as de investigación permitirĆ” a la comunidad. . “

Con los dos estudios, estamos entrando en un nuevo mundo de predicción, y posteriormente de ingenierĆ­a o cambio, los componentes bĆ”sicos de la vida. El Dr. Andrei Lupas, biólogo evolutivo del Instituto Max Planck de BiologĆ­a del Desarrollo y juez del CASP, estĆ” de acuerdo : ā€œEsto cambiarĆ” la medicina. CambiarĆ” la investigación ā€, dijo. ā€œCambiarĆ” la bioingenierĆ­a. Lo cambiarĆ” todo “.

Crédito de la imagen: Ian Haydon, Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington

Fuente: https://singularityhub.com/2021/07/20/new-protein-folding-ai-just-made-a-once-in-a-generation-advance-in-biology/

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