Saksamaa ja USA teadlased on Google'i DeepMindi välja töötatud tehisintellekti (AI) süsteemi AlphaFoldi abil ennustanud topoloogiliselt kõige keerulisemat sõlme, mis kunagi valgust leitud. Nende AlphaFoldi toodetud andmete täielik analüüs paljastas ka esimesed liitsõlmed valkudes: topoloogilised struktuurid, mis sisaldasid samal stringil kahte eraldi sõlme. Kui avastatud valgusõlmed saab eksperimentaalselt uuesti luua, aitab see kontrollida AlphaFoldi tehtud ennustuste täpsust.
Valgud võivad kokku voltida, moodustades keerukaid topoloogilisi struktuure. Kõige intrigeerivamad neist on valgusõlmed – kujundid, mis ei läheks lahti, kui valku mõlemast otsast välja tõmmata. Peeter Virnau, Mainzi Johannes Gutenbergi ülikooli teoreetiline füüsik, räägib Füüsika maailm et praegu on teada umbes 20–30 sõlmitud valku. Virnau selgitab, et need struktuurid tekitavad huvitavaid küsimusi selle kohta, kuidas nad kokku klapivad ja miks nad eksisteerivad.
Valgu kuju saab tihedalt seostada selle funktsiooniga, kuid kuigi valgusõlmede funktsionaalsuse ja eesmärgi kohta on olemas mõned teooriad, on nende kinnituseks vähe tõendeid. Virnau ütleb, et need võivad aidata valke stabiilsena hoida, olles näiteks eriti vastupidavad termilisele kõikumisele, kuid need on lahtised küsimused. Kuigi valgusõlmed on haruldased, näivad need olevat ka evolutsiooni käigus väga hästi säilinud.
"Kui sõlmeline valk on olemas näiteks pärmis, on suur tõenäosus, et see on sõlmes ka inimestel," selgitab Virnau. "Seega on need struktuurid, mis on eksisteerinud sadu miljoneid aastaid."
Valgusõlmede uurimise pikaajaline probleem on olnud valgusõlmede leidmine ja tuvastamine. Kuigi keerulised valgustruktuurid on laboris katseliselt määratud, võib see olla keeruline ja aeganõudev. Hiljuti töötas DeepMind välja AI-süsteemi, mida tuntakse kui AlfaFold et see suudab ennustada valgu struktuure uskumatu kiiruse ja täpsusega. Süvaõppe süsteem töötab suurel andmebaasil teadaolevatest valkudest ja nende aminohappejärjestustest. See kasutab neid järjestusi ja teavet aminohapete esmase struktuuri kohta, et ennustada valkude kolmemõõtmelisi struktuure. Selle väljaõpe põhineb valgustruktuuride evolutsioonilistel, füüsilistel ja geomeetrilistel piirangutel.
AlphaFold on ennustanud mitusada tuhat valgustruktuuri, millest enamikku pole veel kataloogitud. Selles viimases töös, mis avaldati aastal ValguteadusVirnau ja tema kolleegid otsisid AlphaFoldi andmepangast varem tundmatuid kompleksseid valgusõlmesid. Nad avastasid üheksa uut sõlme. See hõlmas 7 esimest1-sõlm – seitsme ristumispunktiga sõlm, mis on topoloogiliselt kõige keerulisem sõlm, mis kunagi valgust leitud.
Teadlased leidsid ka mitu kuut ristuvat komposiitsõlme. Need mõlemad sisaldavad kahte kolmiksõlme, mis on kolme ristumisega sõlmed. Samuti avastasid nad kaks senitundmatut sõlme viie olulise ristumisega, 51-sõlm ja 52-sõlm.
Meeskond töötab nüüd koos biokeemikuga Todd YeatesCalifornia Los Angelese ülikoolis, et luua AlphaFoldi poolt eksperimentaalselt tuvastatud valgud, et kinnitada, et need moodustavad ennustatud topoloogilised struktuurid. "Ma olen üsna kindel, et suudame need struktuurid katseliselt kinnitada," ütleb Virnau.
Kvantmeetod näitab valkude kiiremat voltimist
Kui neid topoloogiliselt keerukaid struktuure saab eksperimentaalselt luua, näitaks see, et AlphaFold töötab ootuspäraselt ja annab kindlustunde vähem keerukate valgukujude ennustustes. "Valgusõlmed võivad olla selle väike aspekt, kuid see võib siiski olla nende tööriistade valideerimine üldiselt, " selgitab Virnau.
Tulevikus võib olla võimalik kasutada neid AI-tööriistu valgutehnoloogia jaoks. Valgud võiksid olla kavandatud sisaldama sõlmi ja muid keerulisi struktuure, mis pakuvad neile spetsiifiliste ülesannete jaoks funktsionaalsust, kuigi see on vähemalt mõne aasta kaugusel.
