Przejdź do treści

Nobel z chemii. „Bez pracy u podstaw rozwiązanie struktur dla milionów białek byłoby mało realne”

Spis treści

Tegoroczną Nagrodą Nobla z chemii podzielą się David Baker za projektowanie białek z wykorzystaniem metod obliczeniowych oraz Demis Hassabis i John M. Jumper za przewidywanie struktury białek. – Dzisiejsza Nagroda jest ukłonem w stronę rzeszy naukowców, którzy przez lata pracowali nad rozwiązywaniem struktur białek. Bez pracy u podstaw i eksperymentalnych danych pozwalających ustalić ściśle te struktury, w tej chwili rozwiązanie struktur dla milionów białek byłoby prawdopodobnie mało realne – powiedział prof. Sławomir Sęk z Uniwersytetu Warszawskiego.

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2024 dotyczy białek – narzędzi chemicznych życia. David Baker dokonał niemal niemożliwego wyczynu. Zbudował zupełnie nowych rodzajów białek. Z kolei Demis Hassabis i John Jumper opracowali model sztucznej inteligencji rozwiązujący 50-letni problem, jakim było przewidywanie złożonych struktur białek.

Te odkrycia mają ogromny potencjał. Różnorodność życia świadczy o niesamowitych możliwościach białek jako narzędzi chemicznych. Kontrolują one i napędzają wszystkie reakcje chemiczne, które razem stanowią podstawę życia. Białka pełnią również funkcję hormonów, substancji sygnałowych, przeciwciał i elementów budulcowych różnych tkanek.

Instrukcja obsługi białek

Według prof. Sławomira Sęka z Uniwersytetu Warszawskiego, nagrodzone odkrycia oferują naukowcom swoistą instrukcję obsługi procesu zwijania białek. Do tej pory proces ten przypominał raczej układanie z klocków dysponując jedynie z fragmentami wytycznych. – Teraz dostaliśmy niemal pełną instrukcję. I nie dotyczy to tylko tych białek, które istnieją, tych sekwencji, które znamy z natury, ale również takich sekwencji, które możemy sobie wyobrazić jako syntetyczne i próbować na tej bazie budować układy, które będą miały specyficzne zastosowania. Warto podkreślić pozabiologiczne zastosowania. Przykładowo, w chemii panuje dość mocny trend polegający na znalezieniu pewnego rodzaju substancji naśladujących działanie enzymów, które mamy np. w organizmie i wykorzystanie ich np. w alternatywnych źródłach energii jako efektywnych cząsteczek umożliwiających pozyskiwanie tej energii. I teraz dostajemy narzędzie, które potencjalnie daje nam możliwość zaprojektowania takiego enzymu w pełni syntetycznego, który będzie charakteryzował się dużo większą trwałością niż enzymy pozyskiwane z żywych organizmów – powiedział prof. Sławomir Sęk komentując tegoroczne Nagrody Nobla z chemii w centrum informacyjnm Tygodnia Noblowskiego Centrum Współpracy i Dialogu Uniwersytetu Warszawskiego.

– Uważam, że jest to otwarcie na wielu polach badawczych. Chciałbym podkreślić, że dzisiejsza nagroda jest ukłonem w stronę rzeszy naukowców, którzy przez lata pracowali nad rozwiązywaniem struktur białek. Bez pracy u podstaw i eksperymentalnych danych pozwalających ustalić ściśle te struktury, w tej chwili rozwiązanie struktur dla milionów białek byłoby prawdopodobnie mało realne – dodał badacz.

Z kolei prof. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii UW podkreślił, że białka odgrywają fundamentalną rolę w funkcjonowaniu naszego organizmu i są zaangażowane w niemal wszystkie procesy życiowe. Przyspieszają reakcje chemiczne zachodzące w naszym organizmie i bez nich nie bylibyśmy w stanie prawidłowo funkcjonować. Białka pełnią dosłownie wszystkie funkcje w organizmie człowieka, a ich liczba wynosi od dziesięciu do nawet dwudziestu tysięcy, w zależności od definicji pojedynczego białka.

Badacz zaznaczył również, że przez dekady naukowcy prowadzili badania strukturalne nad białkami i to one umożliwiły zbudowanie bazy wiedzy, z której czerpie sztuczna inteligencja. – Dzięki tym postępom jesteśmy w stanie projektować nowe białko o nowych funkcjach. Być może takie, które działają poza organizmami, ale w przyszłości z pewnością też będziemy mogli konstruować białka, które funkcjonują w organizmach w oparciu o nową, poprawioną funkcję. Dzięki temu, że znamy struktury białek, możemy je poznawać znacznie szybciej, znacznie prościej, łatwiej nam też projektować nowe czynniki terapeutyczne, nowe leki, które bardziej skutecznie będą oddziaływać z celami terapeutycznymi, jakimi są białka. Znaczenie tego odkrycia jest naprawdę olbrzymie w kontekście inżynierii nowych białek, ale również całych układów, jak na przykład sztuczne organizmy, które funkcjonują w oparciu o sztuczne białka i mają szczególne cechy, aż po zastosowania, które już obecnie mają miejsce, czyli projektowanie nowych leków -stwierdził prof. Jacek Jemielity.

– Hołd dla sztucznej inteligencji, złożony przez Komitet Noblowski, w tym konkretnym przypadku jest jak najbardziej zasłużony. To doskonały przykład sytuacji, w której dysponujemy ogromną ilością danych o wysokiej jakości, które można ze sobą porównywać. Dzięki niezwykłej wydajności obliczeń można przewidzieć struktury białek, zarówno tych, które już znaliśmy i możemy zweryfikować, jak również tych, których jeszcze nie znaliśmy, a poznaliśmy dopiero później metodami eksperymentalnymi. To doskonały przykład, że sztuczna inteligencja może nam pomóc – dodał Jemielity.

Halucynacje o strukturach białek

Doktor Maria Górna z UW przyznała, że po wczorajszej Nagrodzie Nobla z fizyki, która została przyznana za odkrycia umożliwiające uczenie maszynowe,dzisiejsze uhonorowanie metod do poznawania i projektowania białek nie było specjalnie zaskakujące. – Nagroda Nobla w dziedzinie chemii dotyczy zastosowania metod do poznania, odkrywania, zrozumienia i projektowania struktur białek. Jest to metoda, która wykorzystuje uczenie maszynowe, ale jej zasady i działanie zostały umożliwione dzięki ponad stuleciu stosowania metod doświadczalnych wykorzystanych do poznania struktur białek. Najpierw, przez krystalografię rentgenowską, następnie przez kriogeniczną mikroskopię elektronową, dzięki czemu w bazie danych zostało zdeponowane ponad 100 000 struktur białek. Tak więc wieloletnia doświadczalna praca naukowców została wykorzystana do tego, by umożliwić to, co było od dawna marzeniem wszystkich badaczy zajmujących się biologią strukturalną. Mianowicie, nauczenie algorytmów tego, by przewidywały miliony najróżniejszych białek i ich struktury, a także projektowały nowe, jeszcze nieznane naturze – wyjaśniła dr Górna.

– Metody, za które została przyznana dzisiaj Nagroda Nobla, nie potrafią wyjaśnić, jak białka się zwijają. To jest proces dynamiczny, odbywający się w otoczeniu innych białek i kwasów nukleinowych. Natomiast można sobie wyobrazić, jak teraz wygląda zastosowanie sztucznej inteligencji do generowania obrazów. W bardzo prosty sposób można wygenerować fake obrazki i to dokładnie robi deep mind – halucynuje struktury białek w postaci skończonej. Narzędzie, które umie teraz przewidywać struktury białek, to jest coś bardzo cennego. Dzięki niemu możemy w przyszłości z dużo większą pewnością od razu projektować leki czy próbować porównywać skuteczność przeciwciał, mając modele strukturalne białek danego wirusa – dodała badaczka.

– Białka są biopolimerami złożonymi z cegiełek budulcowych, które nazywamy aminokwasami. Problem przewidywania struktury trójwymiarowej białek polega na tym, że cegiełki te mogą wzajemnie się obracać. Takie izomery nazywamy izomerami konformacyjnymi. Takich potencjalnych struktur jest bardzo dużo i ta liczba rośnie bardzo szybko wraz z liczbą aminokwasów wbudowanych w łańcuch polipeptydowy. Dotychczas, aby przewidywać strukturę trójwymiarową takiego łańcucha, należało białko wyizolować, oczyścić, wykrystalizować i przeprowadzić badania strukturalne takimi metodami, jakie wspominała dr Maria Górna. Dodam do tego spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego NMR – to takie trzy podstawowe techniki. Komputer nie liczy tego od początku, nie przewiduje tej struktury, nie posiadając danych wejściowych, tylko najpierw analizuje bogatą bibliotekę danych, które wcześniej zgromadzono i wypełnia luki. Oczywiście tych białek w naturze jest dużo więcej niż 100 000. Niemniej, potrzebujemy bardzo dobrych danych wyjściowych, żeby takie algorytmy rozwijać. Natomiast działają one świetnie – powiedział dr hab. Paweł W. Majewski z UW.

Źródło i fot.: Centrum Współpracy i Dialogu Uniwersytetu Warszawskiego

Udostępnij:

lub:

Podobne artykuły

Jaka jest najlepsza aplikacja do nauki języka angielskiego online?

Zapłodnienie plemniki komórka jajowa niepłodność

Początek życia. Naukowcy ustalili, jak plemnik i komórka jajowa łączą się ze sobą

Ogłoszono laureatów Nagrody Nobla 2024 z chemii

Wyróżnione artykuły

Popularne artykuły