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新2会员网址(www.122381.com):媲美AlphaFold2的卵白质结构展望工具问世,可十分钟出效果

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文 | 学术头条,作者 |吴婷婷,编辑 | 王新凯

现在,人工智能已经渗透到人们生涯的方方面面,种种深度学习算法也越来越多地应用于各个领域。尤其在生物和医学领域,人工智能手艺可以说大放异彩,极大加速了有关生物、病理等科学的生长,而其中一项主要的应用,就是展望卵白质结构。

卵白质作为组成人体组织器官的支架和主要物质,在人体生命流动中起着主要作用。2020 年,DeepMind 在第 14 届 “卵白质结构展望要害评估”(CASP14)大赛中展示了惊动一时的相关功效 ――AlphaFold2,那时,该手艺展望卵白质结构的准确度排名第一。

现在,西雅图华盛顿大学医学院卵白质设计研究所的研究职员,研发出一款新的深度学习工具 RoseTTAFold,不仅拥有媲美 AlphaFold2 的卵白质结构展望超高准确度,而且更快、所需盘算机处置能力更低,更主要的是,RoseTTAFold 完全免费!

AlphaFold2:声名大噪的 “前浪”

卵白质是一切生命的物质基础,由无数氨基酸链组成,它们根据特定方式折叠连系成庞大的微观形状,这些怪异的结构反过来又引发了生物体内险些所有的化学历程。因此,通过更好地领会卵白质内部结构,科学家们可以加速开发针对癌症、COVID-19 和数千种其它康健疾病的新疗法。

图 | 卵白质 3D 结构(泉源:Nat Commun)

Science 杂志曾指出,卵白质折叠问题是人类在 21 世纪需要解决的 125 个科学前沿问题之一。通过卵白质结构展望破译 “第二遗传密码”,是生物学中央规则尚未展现的奇妙之一,也是现在结构生物学面临的一项具有挑战性的重大基础性研究课题。

然而,确定卵白质的 3D 结构一直是一个难题。在已往的几十年中,人类已经能够行使冷冻电子显微镜、核磁共振或 X 射线晶体学等实验手艺确定卵白质的基本结构,但这些手艺基于大量试错,往往需要破费数年时间,成本也异常高。

近年来,随着人工智能手艺的不停生长,有关展望卵白质结构的 AI 工具也越来越成熟。其中,性能最强、准确度最高的就是去年 DeepMind 在 CASP14 卵白质结构展望评估集会上展示的 AlphaFold2。在去年的竞赛中,AlphaFold2 展望的大部门结构到达了空前的准确度,不仅与实验方式得出的效果平起平坐,还远超剖析新卵白质结构的其他方式。

图 | AlphaFold2 展望的卵白结构与实验效果险些一致。(泉源:DeepMind)

AlphaFold2 的高性能令众人瞩目,然而人们也最先思索一个问题:除了 DeepMind 这种在天下领先的深度学习公司以外,其他机构或科研团队开发的系统中是否也可以实现这种准确性呢?

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RoseTTAFold:公然免费的 “后浪”

现在,一定的谜底浮出水面。

在此次的新研究中,华盛顿大学医学院生物化学系教授、卵白质设计研究所所长 David Baker 向导一支盘算生物学家团队,乐成开发一款名为 RoseTTAFold 的工具,基于深度学习,能够凭证有限的信息快速准确地展望出目的卵白质的结构,到达与 AlphaFold2 平起平坐的准确度。

图 | David Baker(泉源:UW)

不仅云云,RoseTTAFold 所需的盘算耗能与盘算时间均比 AlphaFold2 还要低:仅用一台游戏盘算机,在短短十分钟内就可以可靠地皮算出卵白质结构。更值得注重的是,RoseTTAFold 的代码和服务器完全免费提供应科学界!自 7 月以来,相关程序已被 140 多个自力科研团队从 GitHub 免费下载,来自天下各地的科学家现在正在使用 RoseTTAFold 来构建卵白质模子,以加速相关领域的研究。

因此可以说,RoseTTAFold 不仅仅是 “免费版” 的 AlphaFold2,更是该手艺领域推翻 “前浪” 的那一股 “后浪”。

整个研究学界都将受益

现实上,RoseTTAFold 是一个 “三轨” 神经网络("three-track" neural network),这意味着它同时思量一维卵白质中的氨基酸序列、二维卵白质的氨基酸若何相互作用以及卵白质可能的三维结构。在这种架构中,一维、二维和三维信息往返流动,从而使神经网络能够配合推理出卵白质的化学部门与其折叠结构之间的关系。

现在,该团队已经使用 RoseTTAFold 盘算了数百种新的卵白质结构,其中包罗许多来自人类基因组的知之甚少的卵白质。研究职员还天生了与人类康健直接相关的卵白质结构,包罗与非正常脂质代谢、炎症障碍和癌细胞生长相关的卵白质结构。这些功效都解释,RoseTTAFold 可以仅用早年所需时间的很小一部门,构建出庞大生物组件的模子。

图 | 研究职员使用 RoseTTAFold 天生了数百种新的卵白质结构,包罗人类白细胞介素 12 与其受体连系的 3D 视图(泉源:UW Medicine Institute for Protein Design)

固然,看似 “小小” 的一步,背后支持的是整个研究团队的起劲。作为团队主要认真人,Baker 说:“在卵白质设计研究所这忙碌的一年中,我们设计 COVID-19 疗法和疫苗并将其投入临床试验,同时开发出用于高精度卵白质结构展望的 RoseTTAFold 工具。我很喜悦科学界已经在使用 RoseTTAFold 服务器来解决突出的生物学问题。”

可以想见的是,云云一款便捷免费、高准确度、低成本的工具一定会受到天下各地的科研职员的迎接。团队成员之一、博士后学者 Minkyung Baek 也示意:“我们希望 RoseTTAFold 新工具在往后,继续使整个研究学界受益。”

参考资料:

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/14/science.abj8754

https://science.sciencemag.org/content/373/6552/262

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