„Þetta á eftir að gjörbreyta læknavísindum. Þetta á eftir að gjörbreyta rannsóknum. Þetta á eftir að gjörbreyta líftækni. Þetta á eftir að gjörbreyta öllu.“
Svo mælti þýski sameindalíffræðingurinn Andrei Lupas. Hann er bara einn af mörgum vísindamönnum sem eiga erfitt með að dylja hrifningu sína á tölvuforritinu AlphaFold.
Forritið sem nýtir sér öfluga gervigreind, hefur á fáeinum árum kortlagt formgerð hundruða þúsunda prótína, þ.á m. eitt sem Lupas og kollegar hans hafa unnið með í meira en áratug – án árangurs.
Form prótínsins skiptir sköpum fyrir þróun lyfja gegn margvíslegum kvillum manna, allt frá kórónuveiru til krabbameins.
98,5 prósent af prótínum mannsins hafa þegar verið kortlögð af AlphaFold.
AlphaFold er talið af mörgum vera eitt helsta vísindaafrek aldarinnar og tæknin á bak við það sem er þróuð af fyrirtækinu DeepMind sem er í eigu Google, á ekki einungis eftir að umbylta læknavísindum.
Það getur einnig hjálpað okkur við að gera mun betri veðurspár, þróað ný tölvuforrit – og leyst loftslagsvandann.
AlphaFold ræður kóðann
Prótín eru bæði byggingarsteinar og vinnumaurar. Þau halda frumum þínum saman og fá efnaferli í líkamanum til að virka sem skyldi. Þau taka þátt í öllum ferlum sem gerast í líkama þínum, jafnvel þegar maður veikist.
Leiðin að heppilegri meðferð við sjúkdómum varðar því einatt prótínin. Með því að þekkja formgerð þeirra prótína sem verka á sjúkdóma geta vísindamenn mótað skilvirk lyf sem tengjast prótínunum og hafa þannig áhrif á virkni þeirra.
En það er sannarlega ekkert einfalt mál að kortleggja prótín. Eitt prótín samanstendur af langri keðju af svonefndum amínósýrum og vísindamenn geta án vandkvæða kortlagt gerð og skipan allra amínósýra í prótíninu. Keðjan snýr stundum upp á sig, myndar fellingar og verður að klumpi og þá vandast málið illilega fyrir vísindamenn.
Árið 2010 stofnuðu æskuvinirnir Demis Hassabis (til vinstri) og Mustafa Suleyman (til hægri) DeepMind ásamt skólafélaganum Shane Legg.
Prótínið getur nefnilega snúið upp á sig á nánast óendanlega marga vegu. Þrátt fyrir það vindur prótínið sig alltaf í fellingar með tilteknum hætti í frumunum.
Form þess er ekki sýnilegt í smásjá þar sem prótínin eru örsmá og enginn getur sagt fyrir um hvaða fellingaform tiltekið prótín getur tekið á sig. En það getur hins vegar AlphaFold afrekað.
Þessi geta forritsins felst í gervigreind sem lærir af eigin reynslu. Áður en forritið sló í gegn meðal vísindamanna var það prófað á nokkuð einfaldari áskorunum: Nefnilega gömlum tölvuspilum.
Forrit æfir sig á spilum
Árið 2013 lét DeepMind, fyrirtækið sem stendur að AlphaFold, þessa nýþróuðu tækni sína spila gömul tölvuspil eins og t.d. Space Invaders. Gervigreindin varð skjótt sérfræðingur í spilinu og gerðist það einvörðungu með æfingu. Enginn hafði kóðað inn reglur spilsins fyrir gervigreindina.
Árið 2014 keypti Google DeepMind og tveimur árum síðar var það á forsíðum flestra dagblaða þegar gervigreindin spilaði við besta go-spilara heims, Lee Sedol. Go er borðspil sem þarfnast ekki einungis rökhugsunar, greiningar og hernaðaráætlana, heldur einnig innsæis og sköpunargáfu, nokkuð sem yfirleitt hefur einvörðungu verið eignað manneskjum.
DeepMind sigraði stórmeistarann
Go er eitt elsta borðspil heims. Þrátt fyrir að það minni á yfirborðinu nokkuð á skák með sína svörtu og hvítu leikmenn skiptist borðið upp í ferninga og er mun flóknara. Flækjustig borðspilsins gerir ómögulegt að vinna leik með hreinum útreikningum en gervigreind DeepMind tókst það engu að síður. Þetta snjalla algrím kenndi sér sjálft skilvirka leikaðferð og vann árið 2016 einn af heimsins bestu go spilurum, Lee Sedol, í fjórum leikjum af fimm.
Forrit hafa áður sigrað borðspilara af holdi og blóði, t.d. þegar forrit IBM, DeepBlue, sigraði heimsmeistarann í skák, Garry Kasparov árið 1997. En ólíkt fyrri forritum studdist gervigreind DeepMind ekki við neina líkindareikninga sem voru kóðaðir inn í gervigreindina af forriturum. Rétt eins og með gamla tölvuleikinn hafði það lært að spila Go upp á eigin spýtur.
Þessari einstöku getu gervigreindarinnar til að kenna sér sjálf og finna tengsl sem krefjast meira en bara einfaldrar rökhugsunar er nú ætlað að hjálpa okkur við að leysa fjölmörg alvarlegustu vandamál manna.
LESTU EINNIG
Algrím DeepMind hefur þegar kennt sjálfu sér að kóða forrit með álíka skilvirkum hætti og hámenntaðir forritarar. Algrímið tekur þannig fram fyrri aðferðum við að spá fyrir um skyndilegar breytingar í veðurfari. DeepMind hefur einnig reynst getað aukið vindorkuframleiðslu um minnst fimmtung og þannig aukið einnig ábatann af henni. Forritið getur einnig greint brjóstakrabbamein með betri nákvæmni heldur en læknar.
En helsta afrek DeepMind er án vafa kortlagning á formi og fellingum prótína.
Algrím heillar vísindamenn
Annað hvert ár frá 1994 hafa vísindamenn skipulagt keppni þar sem ólík algrím keppa um að segja fyrir um form prótína með mestri nákvæmni. Í hvert sinn eru niðurstöður algrímanna bornar saman við þau tiltölulega fáu prótín sem vísindamenn hafa unnið með á rannsóknarstofu í langan tíma og þekkja jafnframt þegar fellingaform prótínanna.
AlphaFold tók í fyrsta sinn þátt árið 2018 og sigraði í keppninni með nákvæmni sem nam um 70%. Tveimur árum síðar má segja að allir þátttakendur hafi orðið fyrir ánægjulegu áfalli þegar DeepMind gat státað af nákvæmni sem var yfir 90%, nokkuð sem fáir töldu mögulegt með núverandi tækni.
Algrím ræður grundvallarkóða
Prótín samanstanda jafnan af keðjum með hundruðum amínósýra. Í 50 ár hafa vísindamenn reynt að skilja hvernig fellingar þessarra löngu keðja verða. Nú hefur algrímið AlphaFold ráðið kóðann.
1. Gerðir raðast upp
AlphaFold ber saman prótínkeðju af amínósýrum (efsta röðin) með svipuðum prótínum frá ólíkum dýrategundum (þrjár neðstu raðirnar). Sumar amínósýrur (nr. 1, 3 og 6) eru eins hjá öllum tegundum, meðan aðrar hafa stökkbreyst í þróunarsögu tegundanna.
2. Stökkbreytingar afhjúpa granna
Algrímið finnur par af amínósýrum sem stökkbreytast í takti – það er þegar ein amínósýran (nr. 2) hefur stökkbreyst hefur einnig önnur (nr. 5) jafnan gert það líka. Þetta stafar líklega af því að amínósýrurnar tvær sitja nálægt hvor annarri í prótíninu.
3. Formgerðinni stýrt og hún löguð til
Algrímið býr til líkan af prótíni þar sem keðjan fellur saman svo að útvaldar amínósýrur (nr. 2 og 5) verða grannar. Það bætir síðan líkanið hvað eftir annað þar til eins mörg nágrannapör eru möguleg í öllu prótíninu.
4. Algrím smíðar tilbúið líkan
Algrímið kemur síðan með endanlega tillögu að líkani sem byggir á formum prótínanna. Síðan má bera þessa formgerð við núverandi þekkingu á prótíninu þannig að algrímið geti kennt sjálfu sér hvar því hefur mögulega skjátlast og getur þannig bætt spá sína.
Enn má þó bæta AlphaFold. Þó hefur forritið nú þegar náð getustigi þar sem vísindamenn geta nýtt það í margvíslegu endamiði. DeepMind hefur nú kortlagt um eina milljón prótína í opnum gagnagrunni og fjölmörg rannsóknarverkefni eru þegar farin í gang með hliðsjón af þessari nýju þekkingu.
Kínverska lyfjafyrirtækið Insilico Medicine hefur t.d. þróað nýtt meðal sem kann að gagnast gegn krabbameini í lifur. Hönnunarferlið hefur áður fyrr tekið fjölmörg ár en núna tók það einungis 30 daga – þökk sé AlphaFold og öðrum gerðum af gervigreind.
Vísindamenn fyrirtækisins nýttu sér í fyrstu gervigreind til að finna prótín sem gegnir mikilvægu hlutverki í sjúkdóminum. Síðan studdust þeir við AlphaFold til að kortleggja form og fellingar prótínsins – og að lokum nýttu þeir sér þriðja forritið til að skapa lyf sem smellpassaði við prótínið.
Enn er ekki búið að prófa þetta lyf í raunveruleikanum en verkefni þetta boðar nýtt tímaskeið innan læknavísinda – og ryður jafnvel braut að nýjum lyfjum gegn öllum hugsanlegum sjúkdómum.
