Algoritmus AlphaFold přinese zásadní pokrok do výzkumu proteinů. „Je to revoluce. Změní to medicínu, základní výzkum, bioinženýrství. Změní to prostě všechno,“ říká o něm evoluční biolog Andrei Lupas z tübingenského Ústavu Maxe Plancka pro vývojovou biologii. Nadšení se zmocnilo Lupase a dalších vědců poté, co AlphaFold londýnské firmy DeepMind porazil na hlavu stovku svých konkurentů v „molekulární olympiádě“ CASP.
Vakcína proti covidu Sinopharm má účinnost 86 procent, Spojené arabské emiráty ji již schválily |
Soutěž se koná jednou za dva roky. Počítačové programy vědeckých týmů z celého světa při ní soupeří v krajně obtížné disciplíně. Týmy dostanou údaje o složení zhruba stovky nově identifikovaných bílkovin a jejich úkolem je předpovědět, jakou budou mít tyto molekuly trojrozměrnou strukturu.
Před dvěma roky vyhrál algoritmus AlphaFold „o prsa“. Letos zvítězila zdokonalená verze AlphaFold2 s drtivou převahou. Mnohem důležitější je, že se algoritmus dopustil jen minima chyb a jeho „předpovědi“ se prakticky kryjí se skutečností.
Složitý trojrozměrný tvar
Bílkoviny patří k základním molekulám pozemského života. Skládají se z řetězců molekul aminokyselin navzájem propojených systémem ne nepodobným stavebnici Lego. Lidé nacházejí pro bílkoviny nejrůznější uplatnění. Řadu z nich využíváme jako léky. Další katalyzují náročné reakce v chemických provozech.
Základní instrukci pro tvorbu bílkovin z aminokyselin mají pozemské organismy uloženou v genech. Tam je zapsáno pořadí, v jakém se budou na sebe aminokyseliny v řetězci bílkoviny vázat.
Může vakcína obsahovat stopy vepře? Ve světě se diskutuje, jestli islámský zákon povoluje očkování |
Nejkratší lidské bílkoviny jsou tvořeny jen dvěma desítkami aminokyselin. Ty nejdelší jich obsahují 35 000. Nejčastěji je však do řetězce bílkoviny propojeno kolem tří stovek aminokyselin.
Nově syntetizovaná lineární bílkovinná molekula se ve zlomku sekundy „smotá“ do trojrozměrného útvaru. Prostorové uspořádání pak určuje její vlastnosti.
Jak se balí bílkovina
Z astronomického počtu možných prostorových uspořádání zaujímá nově syntetizovaná bílkovina jedno jediné. Proces „sbalení“ není náhodný a řídí se složitými zákonitostmi. Vědci z genů snadno určí pořadí aminokyselin v bílkovinném řetězci, ale výsledný trojrozměrný tvar molekuly z ní nevyčtou.
Ten zjistí až složitými analýzami podle toho, jak sbalená bílkovinná molekula rozptýlí rentgenové paprsky nebo jak vypadá po zmražení pod speciálním elektronovým mikroskopem. Obě metody, rentgenová krystalografie a kryoelektronová mikroskopie, jsou náročné a výrazně komplikují výzkum nových bílkovin.
Proto se vědci snaží přijít zákonitostem balení bílkovinných molekul na kloub, odhadnout z pořadí aminokyselin výsledný tvar a určit předem jejich vlastnosti. Bílkoviny snahám o rozluštění tajů „balení“ dlouho vzdorovaly. Až AlphaFold2 předpověděl trojrozměrnou strukturu bílkovinných řetězců s přesností, která si nezadá se zlatým standardem rentgenové krystalografie a kryoelektronové mikroskopie.
Vítěz nad šampiony
Dceřiná firma Googlu DeepMind na sebe upozornila už v roce 2016, když její algoritmus AlphaGo na hlavu porazil mistra světa ve hře go Jihokorejce Lee Sedola. Z pěti partií odešel jako vítěz pětkrát. Zatímco počet herních variant při šachu lze vyjádřit číslem 10120, tedy číslem, kde za jedničkou následuje sto dvacet nul, go nabízí 10761 postavení hracích kamenů.
Hráči go byli proto přesvědčeni, že je počítač nikdy neporazí. Umělá inteligence z DeepMind to ale zvládla. V roce 2017 porazil algoritmus AlphaZero firmy DeepMind i tehdejší nejlepší světový šachový počítačový program Stockfish-8. Ze stovky partií jich vyhrál osmadvacet a ve zbytku remizoval. Neprohrál ani jednou.
Triumf strojů
Stockfish-8 prováděl za jedinou sekundu sedmdesát milionů kalkulací. AlphaZero vystačil s „pouhými“ osmdesáti tisíci kalkulací za sekundu. Přitom byl samouk. Jeho autoři mu zadali pravidla šachu, ale neseznámili ho s jedinou reálnou šachovou partií. AlphaZero se učil tím, že hrál sám proti sobě.
Podle bývalého šachového mistra světa Garriho Kasparova tak umělá inteligence vytvořila strategie, v nichž se odráží „pravda šachů“ a nikoli představy a předsudky programátorů. V následujících letech si AlphaZero vedl úspěšně i v pokeru, který je pro umělou inteligenci ještě obtížnější než šachy či go.
Pro sbalení běžné bílkovinné molekuly se nabízí zhruba 10300 možností. Ve srovnání s počtem herních variant go se to může zdát málo, ale jen do chvíle, než si uvědomíme, že celý vesmír je vytvořen z 1080 atomů.
Nové možnosti
AlphaFold je první algoritmus z DeepMind, který si nehraje, ale pracuje. Vědci budou s jeho pomocí vyvíjet nové léky, vakcíny, enzymy a další bílkovinné produkty. Poradí jim, jak upravit aminokyselinové složení bílkoviny, aby se žádoucím způsobem změnil její tvar a vylepšily vlastnosti.
Návrh očkování v Česku: Vakcína bude pro 7 milionů lidí, ale ne pro děti. Senioři dostanou přednost před zdravotníky |
Zvláštností tohoto typu umělé inteligence je, že ani jeho tvůrci pořádně netuší, jak pracuje a proč volí určité postupy. S jistotou vědí jen to, že program dává správné výsledky.
Pokud bychom pronikli do způsobu „myšlení“ AlphaFold, pochopili bychom lépe i zákonitosti trojrozměrného uspořádání bílkovin. Pomohlo by to objasnit vznik chorob, při kterých nabývají lidské bílkoviny vadnou konformaci. Patří k nim např. Alzheimerova a Parkinsonova choroba nebo dědičná cystická fibróza.
