Apple презентує SimpleDesign: модель для дизайну білків

Apple, відома своїми інноваціями у сфері технологій, знову привернула увагу спільноти, представивши нову розробку в галузі біоінформатики. Дослідники компанії представили модель SimpleDesign, яка здатна одночасно генерувати як послідовність амінокислот, так і тривимірну структуру білків. Ця новаторська розробка була опублікована на початку вересня у вигляді попередньої публікації на платформі arXiv.

Революційний підхід до дизайну білків

Традиційні методи проєктування білків часто вимагають багатоетапного процесу, що включає перетворення даних для різних етапів навчання. На відміну від цього, SimpleDesign використовує прямий підхід, навчаючись безпосередньо на вихідних даних. Це дозволяє уникнути складних проміжних етапів перетворення, роблячи процес більш ефективним та спрощеним.

У своїй роботі дослідники зазначають, що багато існуючих моделей для спільного дизайну білків спочатку тренують автокодувальник для перетворення структури білка у дискретне латентне представлення. Потім використовується модель генерації для роботи з цими представленнями. SimpleDesign же застосовує наскрізне навчання, використовуючи безпосередньо послідовності амінокислот та безперервні тривимірні координати.

Подальший розвиток ідей SimpleFold

Розробка SimpleDesign є логічним продовженням попередніх досліджень Apple у цій галузі, зокрема проєкту SimpleFold. У рамках SimpleFold була представлена модель, яка використовувала потік збіжності для передбачення тривимірної структури білка безпосередньо на основі його послідовності амінокислот. SimpleDesign розширює цю концепцію, застосовуючи спрощену архітектуру не лише для передбачення структури, але й для одночасного генерування послідовності амінокислот, яка формуватиме цю структуру.

Методологія та навчання моделі

Для навчання SimpleDesign було використано понад 2 мільйони пар “послідовність-структура” білків. Дані переважно були отримані з набору даних AFESM, який об’єднує прогнозні структури з бази даних AlphaFold та інші зразки. Під час навчання модель частково маскувала послідовності амінокислот, одночасно додаючи шум до відповідних тривимірних структур.

Шляхом регулювання ступеня пошкодження послідовності та структури модель навчається виконувати різні завдання. Коли послідовність залишається переважно цілою, а структура значно спотворюється, завдання нагадує згортання білка – відновлення структури за відомою послідовністю. Якщо ж структура переважно ціла, а послідовність значною мірою маскована, це схоже на зворотне згортання – генерацію послідовності амінокислот, яка може сформувати певну структуру.

Коли послідовність і структура одночасно зазнають часткового пошкодження, модель змушена спільно обробляти обидва типи інформації, навчаючись таким чином синергетичному дизайну послідовності та структури білка.

Результати та потенціал

Згідно з результатами дослідження, SimpleDesign продемонструвала конкурентоспроможну ефективність у стандартних тестах, які охоплюють спільний дизайн білків, генерацію структури та генерацію послідовності. Дослідники також виявили, що модель здатна генерувати білкові структури з правдоподібною морфологією, а загальна якість згенерованих послідовностей амінокислот є порівнянною або кращою, ніж у більшості багатомодальних моделей-конкурентів.

Важливо зазначити, що на даний момент результати базуються виключно на комп’ютерних оцінках. Дослідницька група ще не проводила експериментальну перевірку, чи можуть згенеровані білки реально згортатися, виконувати свої функції або безпечно функціонувати в біологічних системах. Тому ці результати поки що не є прямою доказовою базою щодо практичної застосовності розроблених моделлю білків.

Незважаючи на це, SimpleDesign представляє значний крок вперед у галузі дизайну білків, пропонуючи більш ефективний та інтегрований підхід до створення нових білкових молекул з бажаними властивостями.

Джерело: https://www.ithome.com/1/001/521.htm