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    谷歌攪局AI制藥,進(jìn)擊的AlphaFold3模型

    2024年05月10日 16:23:34   來(lái)源:氨基觀察

      結(jié)構(gòu)生物學(xué)是生物學(xué)的核心領(lǐng)域之一,其核心任務(wù)是揭示生物分子的三維結(jié)構(gòu),這對(duì)于理解其功能和行為至關(guān)重要。

      傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)測(cè)定方法,如X射線晶體學(xué)和核磁共振(NMR)技術(shù),雖然強(qiáng)大,但費(fèi)時(shí)且成本高昂。隨著計(jì)算能力的提高和算法的進(jìn)步,計(jì)算結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(CSP)已成為一個(gè)重要的補(bǔ)充手段。

      不過(guò),谷歌AlphaFold3模型問(wèn)世,或許標(biāo)志著CSP領(lǐng)域達(dá)到了一個(gè)新的高度。日前,Nature上發(fā)表的關(guān)于AlphaFold3模型的介紹,為我們揭示了這一點(diǎn)。

      之前的AlphaFold 模型于 2020 年發(fā)布,其預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力讓研究界感到驚訝,但研究人員一直在呼吁該工具能夠處理的不僅僅是蛋白質(zhì),F(xiàn)在,AlphaFold 3,可以預(yù)測(cè)DNA、RNA和配體等分子的結(jié)構(gòu),這對(duì)藥物發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。

      并且,在部分領(lǐng)域,AlphaFold 3預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度較高。對(duì)于蛋白質(zhì)與其他分子類(lèi)型的相互作用,與現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方法相比,我們看到至少提高了50%,對(duì)于一些重要的相互作用類(lèi)別,我們的預(yù)測(cè)精度提高了一倍。

      DeepMind聯(lián)創(chuàng)兼CEO哈撒比斯表示,AlphaFold 3是人類(lèi)了解生物學(xué)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)歷史性的第一步。

      那么,AlphaFold 3能否攪局AI制藥呢?

      / 01 / AlphaFold3的進(jìn)擊

      AlphaFold3是DeepMind公司繼AlphaFold2之后的又一力作,它不僅繼承了前代模型的優(yōu)勢(shì),還通過(guò)一系列創(chuàng)新性的架構(gòu)改進(jìn),極大地提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和泛化能力。

      總體而言,AlphaFold3在多個(gè)方面展現(xiàn)了其卓越的性能。

      首先,是在蛋白質(zhì)-配體相互作用,在與配體結(jié)合的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)上,AlphaFold3的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)超現(xiàn)有的對(duì)接工具。

      蛋白質(zhì)與小分子配體的相互作用是藥物作用機(jī)制的核心。AlphaFold3通過(guò)其先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法,能夠精確預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)與配體結(jié)合的三維結(jié)構(gòu),這對(duì)于理解藥物如何與其靶點(diǎn)相互作用至關(guān)重要。

      根據(jù)介紹,AlphaFold3的預(yù)測(cè)結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相媲美,為藥物設(shè)計(jì)提供了高分辨率的結(jié)合位點(diǎn)圖像。這對(duì)于新藥開(kāi)發(fā)還是現(xiàn)有藥物優(yōu)化,都能提供顯而易見(jiàn)的幫助。

      新藥開(kāi)發(fā)方面,可以通過(guò)AlphaFold3預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)-配體結(jié)構(gòu),研究人員可以更有效地篩選和設(shè)計(jì)新藥候選物,加速藥物發(fā)現(xiàn)流程。

      現(xiàn)有藥物優(yōu)化翻一面,該工具還可以用于優(yōu)化現(xiàn)有藥物,通過(guò)改進(jìn)其與靶蛋白的結(jié)合模式來(lái)增強(qiáng)療效或減少副作用。

      其次,是蛋白質(zhì)-核酸相互作用。蛋白質(zhì)與核酸的相互作用在調(diào)控基因表達(dá)和遺傳信息傳遞中扮演著關(guān)鍵角色。

      在蛋白質(zhì)與核酸復(fù)合物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)上,AlphaFold3的準(zhǔn)確性也顯著優(yōu)于專(zhuān)門(mén)的核酸預(yù)測(cè)工具。AlphaFold3在這一領(lǐng)域的應(yīng)用,為理解復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了新的視角。

      例如,在基因調(diào)控機(jī)制方面,AlphaFold3能夠揭示轉(zhuǎn)錄因子與DNA或RNA的結(jié)合細(xì)節(jié),有助于理解細(xì)胞如何調(diào)控基因表達(dá)。

      而在RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域,該工具在預(yù)測(cè)RNA結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出色,這對(duì)于理解RNA在生命過(guò)程中的功能至關(guān)重要。

      這些優(yōu)勢(shì),最終在藥物設(shè)計(jì)方面得到體現(xiàn)。通過(guò)AlphaFold3預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合物結(jié)構(gòu),可以設(shè)計(jì)出靶向特定核酸的小分子,為治療某些疾病提供新策略。

      最后,是抗體-抗原預(yù)測(cè)。AlphaFold3在抗體-抗原復(fù)合物的預(yù)測(cè)上取得了顯著進(jìn)步,這對(duì)于藥物設(shè)計(jì)和疫苗開(kāi)發(fā)具有重要意義。

      畢竟,抗體-抗原相互作用在免疫系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,也是疫苗設(shè)計(jì)和藥物開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素。

      根據(jù)介紹,AlphaFold3可以預(yù)測(cè)病毒表面蛋白或抗原的結(jié)構(gòu),幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出能夠誘導(dǎo)強(qiáng)烈免疫反應(yīng)的疫苗。

      該工具還可以用于設(shè)計(jì)單克隆抗體,這些抗體可以特異性地識(shí)別和中和病原體,為治療癌癥和其他疾病提供新途徑。

      另外,AlphaFold3預(yù)測(cè)的抗體-抗原結(jié)構(gòu)有助于理解某些疾病的免疫逃逸機(jī)制,為開(kāi)發(fā)新的治療策略提供線索。

      / 02 / AI制藥的攪局者

      AlphaFold3的推出是計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。它不僅極大地提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,還擴(kuò)展了可預(yù)測(cè)的生物分子類(lèi)型。隨著技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用的深入,AlphaFold3有望在生命科學(xué)研究和醫(yī)療健康領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。當(dāng)然,與所有的AI制藥技術(shù)一樣,AlphaFold3并不完美。

      就技術(shù)本身而言,其存在諸多bug。比如,立體化學(xué)問(wèn)題,模型有時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分子的手性中心,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)出現(xiàn)立體化學(xué)錯(cuò)誤。

      再比如“幻覺(jué)現(xiàn)象”問(wèn)題,生成式模型可能會(huì)在無(wú)序區(qū)域產(chǎn)生非真實(shí)的結(jié)構(gòu),這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“幻覺(jué)”。

      以及“動(dòng)態(tài)行為”的挑戰(zhàn),AlphaFold3主要預(yù)測(cè)靜態(tài)結(jié)構(gòu),對(duì)于生物分子的動(dòng)態(tài)行為預(yù)測(cè)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

      種種因素導(dǎo)致,與大多數(shù)模型一樣,AlphaFold的影響將取決于其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

      在某些用途上,AlphaFold 3 的成功率是 RoseTTAFold 等類(lèi)似領(lǐng)先型號(hào)的兩倍。但對(duì)于其他的,比如蛋白質(zhì)-RNA的相互作用,AlQuraishi說(shuō)它仍然非常不準(zhǔn)確。

      DeepMind表示,根據(jù)所建模的交互,準(zhǔn)確率可以從40%到80%以上不等,該模型將讓研究人員知道其預(yù)測(cè)的可信度。由于預(yù)測(cè)不太準(zhǔn)確,研究人員在采用其他方法之前只能將AlphaFold3作為起點(diǎn)。

      也就是說(shuō),AlphaFold3要想成為攪局者,必須讓更多使用者信服這門(mén)技術(shù)。這,或許需要繼續(xù)迭代。

      當(dāng)然,盡管存在挑戰(zhàn),AlphaFold3無(wú)疑已經(jīng)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。期待未來(lái)更多的工具,能夠賦能新藥研發(fā),為患者帶來(lái)更為有效的治療手段。

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