מדענים בגרמניה ובארה"ב חזו את הקשר הטופולוגי המורכב ביותר שנמצא אי פעם בחלבון באמצעות AlphaFold, מערכת הבינה המלאכותית (AI) שפותחה על ידי DeepMind של גוגל. הניתוח המלא שלהם של הנתונים שהופק על ידי AlphaFold חשף גם את הקשרים המרוכבים הראשונים בחלבונים: מבנים טופולוגיים המכילים שני קשרים נפרדים על אותו מיתר. אם ניתן ליצור מחדש את קשרי החלבון שהתגלו בניסוי, זה ישמש לאמת את הדיוק של התחזיות שנעשו על ידי AlphaFold.
חלבונים יכולים להתקפל ליצירת מבנים טופולוגיים מורכבים. המסקרנים שבהם הם קשרי חלבון - צורות שלא היו מתפרקות אם החלבון נמשך משני הקצוות. פיטר וירנאו, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ, מספר עולם הפיזיקה שיש כיום כ-20 עד 30 חלבונים קשורים ידועים. מבנים אלה, מסביר וירנאו, מעלים שאלות מעניינות לגבי איך הם מתקפלים ומדוע הם קיימים.
צורת חלבון יכולה להיות קשורה קשר הדוק לתפקוד שלו, אבל למרות שיש כמה תיאוריות על הפונקציונליות והמטרה של קשרי חלבון, יש מעט ראיות קשות לגיבוי אלה. Virnau אומר שהם עשויים לעזור לשמור על יציבות החלבונים, על ידי עמידה במיוחד בפני תנודות תרמיות, למשל, אבל אלו שאלות פתוחות. אמנם קשרי חלבון הם נדירים, אבל נראה שהם גם נשמרים מאוד על ידי האבולוציה.
"אם חלבון מסוקס קיים, למשל, בשמרים, יש סבירות גבוהה שהוא קשור גם בחלבון המקביל בבני אדם", מסביר וירנאו. "אז, אלו מבנים שקיימים כבר מאות מיליוני שנים."
בעיה ארוכת שנים בחקר קשרי חלבון הייתה מציאת וזיהוי קשרי חלבון. בעוד שמבני חלבון מורכבים נקבעו בניסוי במעבדה, זה יכול להיות מאתגר ולאורך זמן. לאחרונה, DeepMind פיתחה מערכת AI הידועה בשם AlphaFold שלטענתה יכול לחזות מבני חלבון במהירות ובדיוק מדהימים. מערכת הלמידה העמוקה עובדת על מסד נתונים גדול של חלבונים ידועים ורצפי חומצות האמינו שלהם. הוא משתמש ברצפים ובמידע על המבנה הראשוני של חומצות אמינו כדי לחזות את המבנים התלת מימדיים של החלבונים. האימון שלו מבוסס על אילוצים אבולוציוניים, פיזיים וגאומטריים של מבני חלבון.
AlphaFold חזה כמה מאות אלפי מבני חלבון, שרובם עדיין לא קוטלגו. בעבודה האחרונה הזו, שפורסמה ב מדעי החלבונים, Virnau ועמיתיו חיפשו במאגר הנתונים של AlphaFold אחר קשרי חלבון מורכבים שלא ידועים בעבר. הם גילו תשעה קשרים חדשים. זה כלל את 7 הראשונים1-knot - קשר עם שבע נקודות חצייה שהוא הקשר המורכב ביותר מבחינה טופולוגית שנמצא אי פעם בחלבון.
החוקרים מצאו גם כמה קשרים מרוכבים עם שישה חוצים. כל אלה מכילים שני קשרי עץ, שהם קשרים עם שלושה צלבים. הם גם גילו שני קשרים שלא היו ידועים בעבר עם חמישה מעברים חיוניים, 51-קשר ו-52-קשר.
הצוות עובד כעת עם ביוכימאי טוד ייטס, באוניברסיטת קליפורניה לוס אנג'לס, כדי ליצור את החלבונים שזוהו על ידי AlphaFold בניסוי כדי לאשר שהם יוצרים את המבנים הטופולוגיים החזויים. "אני די בטוח שנוכל לאשר את המבנים הללו בניסוי", אומר Virnau.
הגישה הקוונטית חושפת קיפול חלבון מהיר יותר
אם ניתן ליצור מבנים מאתגרים טופולוגית אלה בניסוי, זה יראה ש-AlphaFold עובד כמצופה ומספק ביטחון בתחזיות שלה לגבי צורות חלבון פחות מורכבות. "קשרי החלבון עשויים להיות רק היבט מינורי של זה, אבל זה בכל זאת עשוי לשמש אימות של הכלים האלה באופן כללי", מסביר Virnau.
בעתיד ייתכן שניתן יהיה להשתמש בכלי AI אלה להנדסת חלבון. ניתן לעצב חלבונים המכילים קשרים ומבנים מורכבים אחרים המספקים להם פונקציונליות עבור משימות ספציפיות, אם כי זה לפחות בעוד כמה שנים.
