นักวิทยาศาสตร์ในเยอรมนีและสหรัฐอเมริกาได้ทำนายปมเชิงทอพอโลยีที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยพบในโปรตีนโดยใช้ AlphaFold ซึ่งเป็นระบบปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่พัฒนาโดย DeepMind ของ Google การวิเคราะห์ข้อมูลที่ผลิตโดย AlphaFold อย่างสมบูรณ์ยังเผยให้เห็นปมคอมโพสิตแรกในโปรตีน: โครงสร้างทอพอโลยีที่มีปมแยกกันสองปมบนสายเดียวกัน หากสามารถทดลองสร้างปมโปรตีนที่ค้นพบขึ้นมาใหม่ได้ ก็จะทำหน้าที่ตรวจสอบความถูกต้องของการคาดการณ์ที่ทำโดย AlphaFold
โปรตีนสามารถพับเพื่อสร้างโครงสร้างทอพอโลยีที่ซับซ้อนได้ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือปมโปรตีน ซึ่งเป็นรูปร่างที่จะไม่พันกันหากดึงโปรตีนออกจากปลายทั้งสองข้าง ปีเตอร์ เวอร์เนานักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัย Johannes Gutenberg University Mainz กล่าว โลกฟิสิกส์ ว่าปัจจุบันมีโปรตีนที่ผูกปมอยู่ประมาณ 20 ถึง 30 ชนิด Virnau อธิบายโครงสร้างเหล่านี้ โดยตั้งคำถามที่น่าสนใจว่าพวกมันพับกันอย่างไรและเหตุใดจึงมีอยู่
รูปร่างของโปรตีนสามารถเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับหน้าที่ของมัน แต่แม้ว่าจะมีทฤษฎีบางประการเกี่ยวกับการทำงานและวัตถุประสงค์ของปมโปรตีน ก็แทบไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดที่จะสนับสนุนสิ่งเหล่านี้ Virnau กล่าวว่าพวกมันอาจช่วยรักษาโปรตีนให้คงตัวได้ เช่น ทนทานต่อความผันผวนของความร้อนเป็นพิเศษ แต่คำถามเหล่านี้ยังเป็นคำถามปลายเปิด แม้ว่าปมโปรตีนจะหายาก แต่ก็ดูเหมือนว่าจะได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างดีจากวิวัฒนาการ
“หากมีโปรตีนที่ผูกปมอยู่ เช่น ในยีสต์ มีความเป็นไปได้สูงที่โปรตีนนั้นจะผูกปมในโปรตีนที่เกี่ยวข้องในมนุษย์ด้วย” Virnau อธิบาย “นี่คือโครงสร้างที่มีอายุหลายร้อยล้านปี”
ปัญหาที่มีมายาวนานในการวิจัยปมโปรตีนคือการค้นหาและระบุปมโปรตีน แม้ว่าโครงสร้างโปรตีนที่ซับซ้อนจะได้รับการทดลองในห้องปฏิบัติการ แต่ก็อาจมีความท้าทายและใช้เวลานาน ล่าสุด DeepMind ได้พัฒนาระบบ AI ที่เรียกว่า อัลฟ่าโฟลด์ ที่อ้างว่าสามารถทำนายโครงสร้างโปรตีนได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ ระบบการเรียนรู้เชิงลึกทำงานบนฐานข้อมูลขนาดใหญ่ของโปรตีนที่รู้จักและลำดับกรดอะมิโนของพวกมัน โดยจะใช้ลำดับและข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างปฐมภูมิของกรดอะมิโนเพื่อทำนายโครงสร้างสามมิติของโปรตีน การฝึกอบรมมีพื้นฐานมาจากข้อจำกัดด้านวิวัฒนาการ ทางกายภาพ และทางเรขาคณิตของโครงสร้างโปรตีน
AlphaFold ได้ทำนายโครงสร้างโปรตีนหลายแสนโครงสร้าง ซึ่งส่วนใหญ่ยังไม่มีการจัดทำรายการไว้ ในผลงานล่าสุดนี้ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์โปรตีนVirnau และเพื่อนร่วมงานของเขาค้นหาข้อมูลในคลังข้อมูลของ AlphaFold เพื่อหาปมโปรตีนที่ซับซ้อนที่ไม่รู้จักมาก่อน พวกเขาค้นพบปมใหม่เก้าปม รวมถึง 7 คนแรกด้วย1-ปม - ปมที่มีจุดตัดเจ็ดจุดซึ่งเป็นปมเชิงทอพอโลยีที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยพบในโปรตีน
นักวิจัยยังพบปมคอมโพสิตหกจุดหลายจุด แต่ละปมจะมีปมพระฉายาลักษณ์สองปม ซึ่งเป็นปมที่มีสามทางแยก พวกเขายังได้ค้นพบนอตที่ไม่รู้จักมาก่อนสองปมซึ่งมีห้าทางแยกที่สำคัญ ซึ่งก็คือ 51-ปมและ 52-ปม
ขณะนี้ทีมงานกำลังทำงานร่วมกับนักชีวเคมี ท็อดด์ เยตส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลีส เพื่อสร้างโปรตีนที่ระบุโดย AlphaFold เชิงทดลองเพื่อยืนยันว่าพวกมันสร้างโครงสร้างทอพอโลยีที่คาดการณ์ไว้ “ฉันค่อนข้างมั่นใจว่าเราจะสามารถยืนยันโครงสร้างเหล่านี้ได้ด้วยการทดลอง” Virnau กล่าว
วิธีควอนตัมเผยการพับโปรตีนเร็วขึ้น
หากสามารถสร้างโครงสร้างที่ท้าทายด้านทอพอโลยีเหล่านี้ได้จากการทดลอง จะแสดงให้เห็นว่า AlphaFold ทำงานตามที่คาดไว้และให้ความมั่นใจในการทำนายรูปร่างโปรตีนที่ซับซ้อนน้อยกว่า “ปมโปรตีนอาจเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสิ่งนี้ แต่ก็อาจทำหน้าที่เป็นเครื่องมือตรวจสอบความถูกต้องของเครื่องมือเหล่านี้โดยทั่วไปได้” Virnau อธิบาย
ในอนาคตอาจเป็นไปได้ที่จะใช้เครื่องมือ AI เหล่านี้สำหรับวิศวกรรมโปรตีน โปรตีนสามารถออกแบบให้มีปมและโครงสร้างที่ซับซ้อนอื่นๆ ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานได้เฉพาะงาน แม้ว่าจะใช้เวลาอีกอย่างน้อยสองสามปีก็ตาม
