Επιστημονικό άλμα: Μυστήριο της βιολογίας λύνεται από τεχνητή νοημοσύνη

Ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης υπό την ονομασία AlphaFold, που ανέπτυξε η βρετανική εταιρεία DeepMind, θυγατρική της Google, σημείωσε μνημειώδες επιστημονικό άλμα, καταφέρνοντας να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της βιολογίας. Δηλαδή, να προβλέπει γρήγορα και με ακρίβεια πώς θα αναδιπλωθούν οι πρωτεΐνες, ποιο τρισδιάστατο σχήμα θα πάρουν και άρα ποια λειτουργία θα έχουν.

Το επίτευγμα -ορόσημο του επιστημονικού κόσμου αναμένεται να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση πλειάδας ασθενειών και στην επιτάχυνση της ανάπτυξης νέων φαρμάκων, μεταξύ άλλων και για το νέο κορονοϊό. Ενώ, η είδηση έχει κάνει το γύρο στα διεθνή επιστημονικά μέσα.

Εργασία ετών σε λίγες μόνο μέρες

Το AlphaFold, ξεχώρισε σε ανταγωνιστικό πλαίσιο, ανάμεσα σε 100 άλλες ομάδες σε ένα διαγωνισμό (CASP) πρόβλεψης δομών πρωτεΐνης. Ο λόγος, ότι μπόρεσε γρήγορα να προβλέψει σωστά τουλάχιστον τα δύο τρίτα της δομής των πρωτεϊνών, με βάση μόνο την αρχική αλληλουχία των αμινοξέων τους, κάτι που για να το πετύχουν οι άνθρωποι εντός εργαστηρίου, χρειάζονται χρονοβόρες και κοστοβόρες διαδικασίες. Σε λίγες μόνο μέρες, εκτέλεσε εργασία που στο εργαστήριο παίρνει χρόνια!

“Έμεινα πραγματικά έκθαμβος, όταν το είδα. Δεν περίμενα ποτέ να το δω όσο ζούσα”, δήλωσε ο δομικός βιολόγος Δρ. Τζον Μουλτ του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, ένας εκ των διοργανωτών του διεθνούς επιστημονικού διαγωνισμού CASP (Critical Assessment of protein Structure Prediction), που πραγματοποιείται ανά διετία από το 2004.

Οι δεκάδες χιλιάδες διαφορετικές πρωτεΐνες παίζουν ζωτικό ρόλο τόσο για την υγεία μας, όσο και για το πως προσβαλλόμαστε από τις ασθένειες, καθώς τα κύτταρα φτιάχνονται από πρωτεΐνες, το πολύπλοκο σχήμα των οποίων παίζει σημαντικό ρόλο. Για παράδειγμα, η Covid-19, εισδύει στα ανθρώπινα κύτταρα, επειδή μια προεξέχουσα πρωτεΐνη-ακίδα που διαθέτει, ταιριάζει δομικά με μια πρωτεΐνη-υποδοχέα στα κύτταρα μας.

Ερωτήματα 50 ετών βρίσκουν απαντήσεις

Tο σχήμα κάθε πρωτεΐνης καθορίζεται από την αλληλουχία 20 διαφορετικών αμινοξέων, που σχηματίζουν αλυσίδες για να φτιάξουν τις πρωτεΐνες (για τη σχετική ανακάλυψη δόθηκε το 1972 το Νόμπελ στον Κρίστιαν ‘Ανφινσεν). Είναι εύκολο για τους βιολόγους να βρουν αυτή την αλληλουχία, καθώς καθορίζεται από το DNA που την κωδικοποιεί, αλλά ήταν σχεδόν αδύνατο, έως τώρα και παρά τις προσπάθειες μισού αιώνα περίπου, να προβλεφθεί το σχήμα μιας πρωτεΐνης με βάση τα δεκάδες ή εκατοντάδες αμινοξέα της.

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες καταφεύγουν σε πειραματικές τεχνικές, όπως η κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, η μικροσκοπία κρυο-ηλεκτρονίων και η φασματοσκοπία MMR, που όμως είναι πάρα πολύ χρονοβόρες, καθώς χρειάζονται μήνες ή χρόνια και δεν αποδίδουν πάντα σωστά.

AlphaFold

Εκεί ήρθε το νέο σύστημα βαθιάς μάθησης AlphaFold, που άρχισε να δοκιμάζεται το 2018 και έκτοτε σημείωσε σημαντικές βελτιώσεις. Αυτό μπορεί πλέον να συσχετίσει κάθε αλληλουχία αμινοξέων με μια διαφορετική πρωτεϊνική δομή.

Ενώ, είναι σημαντικό να βελτιωθεί κι άλλο, για να φέρει αποτελέσματα και σε πιο πολύπλοκες διαδικασίες. Για παράδειγμα, στην περίπτωση των πρωτεϊνών των οποίων η δομή επηρεάζεται από αλληλεπιδράσεις με άλλες πρωτεΐνες.

Σύμφωνα με δηλώσεις του εξελικτικού βιολόγου Αντρέι Λούπας του γερμανικού Ινστιτούτου Αναπτυξιακής Βιολογίας Μαξ Πλανκ, τα επόμενα λίγα χρόνια οι ερευνητές θα συνεχίσουν να ελέγχουν οι ίδιοι την ακρίβεια των προβλέψεων του AlphaFold, αλλά στο μέλλον θα βασίζονται αποκλειστικά από τους υπολογισμούς της τεχνητής νοημοσύνης.

Θα αλλάξει το πρόσωπο της ιατρικής

“Πραγματική επανάσταση θα συμβεί, όταν πλέον οι επιστήμονες θα μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο τους υπολογιστές για να προβλέπουν πώς οι πρωτεΐνες αλληλλεπιδρούν με άλλα μόρια. Αυτό θα αλλάξει τελείως το πρόσωπο της ιατρικής”, προσέθεσε.

Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος AlphaFold προέβλεψε σωστά τα σχήματα αρκετών πρωτεϊνών του κορονοϊού SARS-CoV-2. Στο μέλλον θα έχει πιθανώς την ικανότητα να προβλέπει ποια από τα χιλιάδες υπάρχοντα φάρμακα προσδένονται σωστά σε αυτές τις πρωτεΐνες, άρα μπορεί να έχουν αποτελεσματική θεραπευτική δράση, χωρίς να χρειάζεται οι επιστήμονες να κάνουν πανάκριβα και πολύπλοκα πειράματα όπως τώρα.

Προς το παρόν, σύμφωνα με δημοσιεύματα στο “New Scientist”, το BBC και το “Science”, οι δημιουργοί του AlphaFold δεν έχουν αποκαλύψει πολλές λεπτομέρειες για το σύστημα τους, αλλά δήλωσαν ότι σύντομα θα κάνουν σχετική επιστημονική δημοσίευση. Την ίδια ώρα, η DeepMind δεν έχει ακόμη διευκρινίσει με ποιο τρόπο οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο θα μπορούν να αξιοποιήσουν το νέο σύστημα, αλλά υποσχέθηκε να διασφαλίσει ευρεία πρόσβαση.