29-го березня 2024 р. в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології».
Із доповіддю «ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ І МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВОЇ СТРУКТУРИ БІЛКІВ» виступив член-кореспондент НАН України, доктор біол. наук, професор КОРНЕЛЮК Олександр Іванович, завідувач відділу білкової інженерії та біоінформатики Інституту молекулярної біології та генетики НАН України.
Засідання семінару відкрив головуючий – академік НАН України проф. С.О.Костерін. У своєму вступному слові він розповів присутнім про наукові інтереси доповідача. Було підкреслено, що проф. О.І.Корнелюк є відомим вченим у галузі молекулярної біології. Основні напрями його наукової роботи: структурно-функціональне дослідження ензимів апарату трансляції, вивчення неканонічних функцій аміноацил-тРНК синтетаз, дослідження функціональної динамікі білків. Олександр Іванович зробив значний внесок у вирішення проблем білкової інженерії, розбудову нагальних питань комп’ютерної біології та біоінформатики. В останні роки він та його співробітники активно використовують комплексний підхід для дослідження структури внутрішньо невпорядкованих білків, який включає біоінформатичний аналіз та експериментальне вивчення білків методами ЯМР-спектроскопії, флуоресценції та кругового дихроїзму.
Далі слово для наукової доповіді було надано проф. О.І.Корнелюку.
У доповіді було відзначено, що визначення просторової структури білків є необхідним етапом для встановлення взаємозв'язку між їхньою структурою та функцією. Значні успіхи у секвенуванні геномів організмів є причиною постійно зростаючого потоку даних про первинні структури білків. Проте, як підкреслив доповідач, лише приблизно для 10% відомих послідовностей доступні структурні дані, тому для аналізу більшості білків важливість набувають комп’ютерні методи передбачення їх просторової структури, які відносять до методів біології in silico. Дані про експериментально встановлені 3D-структури білків методами рентгеноструктурного аналізу та ЯМР-спектроскопії депонуються і зберігаються у банках даних просторових структур.
Методи теоретичного передбачення структури білків можна розділити по повноті фізичного підходу до їх опису: методи розрахунку ab initio, які базуються на вихідних фізичних принципах та методи класичної молекулярної механіки, які використовують статистично встановлені правила у вигляді силових полей. Для побудови структурної моделі білка використовують найбільш ефективний серед емпіричних підходів метод моделювання за гомологією (порівняльного моделювання), який ґрунтується на фундаментальному принципі залежності між рівнем гомології амінокислотних послідовністей білків та схожістю їх просторової структури. Модель структури білка, побудована на основі матриці з гомологією більше 90%, має такі ж малі похибки, як і кристалографічно визначена структура. Моделювання за гомологією можна безпосередньо проводити в Internet за допомогою моделюючих систем, таких як Swiss-Model, Modeller, I-TASSER, CPHmodels, SDSC1, FAMS, 3D-JIGSAW та інші. У відділі білкової інженерії та біоінформатики ІМБГ НАН України було проведено комп’ютерне моделювання просторової структури білків апарату трансляції евкаріотів: тирозил-тРНК синтетази та білка АІМР1/р43, для яких відсутні експериментально визначені просторові структури.
З 2018 року для моделювання просторової структури білків успішно застосовується метод штучного інтелекту. В експерименті CASP14 метод штучного інтелекту AlphaFold2, розроблений компанією DeepMind, показав найкращий результат не лише порівняно з іншими групами , але і в абсолютній точності моделей. Дві третини моделей збігалися з експериментальними даними на 90%. AlphaFold2 змогла спрогнозувати майбутню структуру білків з похибкою лише в 1.6 ангстрема, що відповідає точності експериментальних методів ЯМР або рентгенівської кристалографії. База даних AlphaFold Protein Structure Database (https://alphafold.ebi.ac.uk), створена в партнерстві з Європейським інститутом біоінформатики EMBL, містить понад 200 000 000 моделей структури білків, які є у вільному доступі для світової наукової спільноти. Проте моделювання структури білків за допомогою AlphaFold2 має певні обмеження. Перш за все – це відсутність моделювання повної четвертинної структури білків, яка визначає їх функціональну активність. Слід зазначити, що є певний прогрес у цьому напрямку досліджень. Іншою складною проблемою є неможливість на даному етапі моделювання структури внутрішньо невпорядкованих білків (IDP). Кристалографічний аналіз, як правило, не дає інформації про неструктуровані ділянки, а лише вказує на їхню можливу наявність через відсутність електронної густини в картинах рентгенівської дифракції кристалів білків. Для встановлення неструктурованих ділянок білка розроблено ряд біоінформатичних сервісів, які користуються різними методами передбачення, а також мета-сервери (MetaDisorder). Доповідачем та його колегами використовується комплексний підхід для дослідження структури внутрішньо невпорядкованих білків, який включає біоінформатичний аналіз та експериментальне дослідження білків методами ЯМР-спектроскопії, флуоресценції та кругового дихроїзму.
Порівняння отриманих моделей з даними моделювання програмою штучного інтелекту виявило проблему моделювання структури IDP програмою AlphaFold2, оскільки ця програма базується лише на кристалографічних структурах. Проведене моделювання просторової структури внутрішньо невпорядкованого білка АІМР1/p43 вказує на компактну структуру мономера, який здатний формувати димер і потенційний тРНК-зв’язуючий сайт на поверхні димера. Проте модель структури білка АІМР1/p43, що була створена штучним інтелектом в базі даних AlphaFold2, є принципово відмінною і не здатною формувати функціональний димер та зв’язувати тРНК. Для вирішення цієї проблеми необхідне створення нової бази даних просторових структур внутрішньо невпорядкованих білків на основі даних ЯМР-спектроскопії та комп’ютерного моделювання, що є задачею майбутніх досліджень.
Одначе, не зважаючи на вказані проблеми, моделювання структури білків методом штучного інтелекту за допомогою AlphaFold2 швидко прогресує і дає дослідникам миттєвий доступ до прогнозованих моделей білків, дозволяючи прискорити експериментальну роботу. Суттєво, що AlphaFold вже забезпечив прогрес у вирішенні деяких важливих проблем, таких як створення нових лікарських препаратів та розробка вакцин.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили: академік С.Комісаренко, академік А.Наумовець, академік С.Костерін, академік М.Скок, член-кор. О.Резніков, член-кор. М.Куліш, професор Д.Колибо, професор О.Матишевська, докт. ф.-м.н. С.Перепилиця, к.б.н. О.Рудницька та інші.
ПОСИЛАННЯ НА ЗАПИС СЕМІНАРУ:
Ф О Т О Р Е П О Р Т А Ж З С Е М І Н А Р У
(фото – к.б.н. М.В.Григор’євої)
Академік С.Костерін відкриває засідання семінару.
Перед початком наукової доповіді академік С.Комісаренко привітав
постійну учасницю семінарських засідань докт. біол. наук Л.Бабіч с ювілеєм.
На трибуні – доповідач член.-кор. НАН України О.Корнелюк.
В залі засідань.
Запитання до доповідача від академіка М.Скок.
Запитання до доповідача від. д.ф.-м.н. С.Перепилиці.
В залі засідань.
Запитання до доповідача від проф. Л.Дробот.
Запитання до доповідача від к.б.н. О.Рудницької.
Подяка головуючого доповідачеві за чудову міждисциплінарну доповідь.
Втім, дискусії тривають й після закінчення семінару.
Колективне фото учасників міждисциплінарного семінару.
Семінар завершився, але так не хочется прощаться…
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановано на квітень м-ць 2024 р.
29-го березня 2024 р. в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології».
Із доповіддю «ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ І МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВОЇ СТРУКТУРИ БІЛКІВ» виступив член-кореспондент НАН України, доктор біол. наук, професор КОРНЕЛЮК Олександр Іванович, завідувач відділу білкової інженерії та біоінформатики Інституту молекулярної біології та генетики НАН України.
Засідання семінару відкрив головуючий – академік НАН України проф. С.О.Костерін. У своєму вступному слові він розповів присутнім про наукові інтереси доповідача. Було підкреслено, що проф. О.І.Корнелюк є відомим вченим у галузі молекулярної біології. Основні напрями його наукової роботи: структурно-функціональне дослідження ензимів апарату трансляції, вивчення неканонічних функцій аміноацил-тРНК синтетаз, дослідження функціональної динамікі білків. Олександр Іванович зробив значний внесок у вирішення проблем білкової інженерії, розбудову нагальних питань комп’ютерної біології та біоінформатики. В останні роки він та його співробітники активно використовують комплексний підхід для дослідження структури внутрішньо невпорядкованих білків, який включає біоінформатичний аналіз та експериментальне вивчення білків методами ЯМР-спектроскопії, флуоресценції та кругового дихроїзму.
Далі слово для наукової доповіді було надано проф. О.І.Корнелюку.
У доповіді було відзначено, що визначення просторової структури білків є необхідним етапом для встановлення взаємозв'язку між їхньою структурою та функцією. Значні успіхи у секвенуванні геномів організмів є причиною постійно зростаючого потоку даних про первинні структури білків. Проте, як підкреслив доповідач, лише приблизно для 10% відомих послідовностей доступні структурні дані, тому для аналізу більшості білків важливість набувають комп’ютерні методи передбачення їх просторової структури, які відносять до методів біології in silico. Дані про експериментально встановлені 3D-структури білків методами рентгеноструктурного аналізу та ЯМР-спектроскопії депонуються і зберігаються у банках даних просторових структур.
Методи теоретичного передбачення структури білків можна розділити по повноті фізичного підходу до їх опису: методи розрахунку ab initio, які базуються на вихідних фізичних принципах та методи класичної молекулярної механіки, які використовують статистично встановлені правила у вигляді силових полей. Для побудови структурної моделі білка використовують найбільш ефективний серед емпіричних підходів метод моделювання за гомологією (порівняльного моделювання), який ґрунтується на фундаментальному принципі залежності між рівнем гомології амінокислотних послідовністей білків та схожістю їх просторової структури. Модель структури білка, побудована на основі матриці з гомологією більше 90%, має такі ж малі похибки, як і кристалографічно визначена структура. Моделювання за гомологією можна безпосередньо проводити в Internet за допомогою моделюючих систем, таких як Swiss-Model, Modeller, I-TASSER, CPHmodels, SDSC1, FAMS, 3D-JIGSAW та інші. У відділі білкової інженерії та біоінформатики ІМБГ НАН України було проведено комп’ютерне моделювання просторової структури білків апарату трансляції евкаріотів: тирозил-тРНК синтетази та білка АІМР1/р43, для яких відсутні експериментально визначені просторові структури.
З 2018 року для моделювання просторової структури білків успішно застосовується метод штучного інтелекту. В експерименті CASP14 метод штучного інтелекту AlphaFold2, розроблений компанією DeepMind, показав найкращий результат не лише порівняно з іншими групами , але і в абсолютній точності моделей. Дві третини моделей збігалися з експериментальними даними на 90%. AlphaFold2 змогла спрогнозувати майбутню структуру білків з похибкою лише в 1.6 ангстрема, що відповідає точності експериментальних методів ЯМР або рентгенівської кристалографії. База даних AlphaFold Protein Structure Database (https://alphafold.ebi.ac.uk), створена в партнерстві з Європейським інститутом біоінформатики EMBL, містить понад 200 000 000 моделей структури білків, які є у вільному доступі для світової наукової спільноти. Проте моделювання структури білків за допомогою AlphaFold2 має певні обмеження. Перш за все – це відсутність моделювання повної четвертинної структури білків, яка визначає їх функціональну активність. Слід зазначити, що є певний прогрес у цьому напрямку досліджень. Іншою складною проблемою є неможливість на даному етапі моделювання структури внутрішньо невпорядкованих білків (IDP). Кристалографічний аналіз, як правило, не дає інформації про неструктуровані ділянки, а лише вказує на їхню можливу наявність через відсутність електронної густини в картинах рентгенівської дифракції кристалів білків. Для встановлення неструктурованих ділянок білка розроблено ряд біоінформатичних сервісів, які користуються різними методами передбачення, а також мета-сервери (MetaDisorder). Доповідачем та його колегами використовується комплексний підхід для дослідження структури внутрішньо невпорядкованих білків, який включає біоінформатичний аналіз та експериментальне дослідження білків методами ЯМР-спектроскопії, флуоресценції та кругового дихроїзму.
Порівняння отриманих моделей з даними моделювання програмою штучного інтелекту виявило проблему моделювання структури IDP програмою AlphaFold2, оскільки ця програма базується лише на кристалографічних структурах. Проведене моделювання просторової структури внутрішньо невпорядкованого білка АІМР1/p43 вказує на компактну структуру мономера, який здатний формувати димер і потенційний тРНК-зв’язуючий сайт на поверхні димера. Проте модель структури білка АІМР1/p43, що була створена штучним інтелектом в базі даних AlphaFold2, є принципово відмінною і не здатною формувати функціональний димер та зв’язувати тРНК. Для вирішення цієї проблеми необхідне створення нової бази даних просторових структур внутрішньо невпорядкованих білків на основі даних ЯМР-спектроскопії та комп’ютерного моделювання, що є задачею майбутніх досліджень.
Одначе, не зважаючи на вказані проблеми, моделювання структури білків методом штучного інтелекту за допомогою AlphaFold2 швидко прогресує і дає дослідникам миттєвий доступ до прогнозованих моделей білків, дозволяючи прискорити експериментальну роботу. Суттєво, що AlphaFold вже забезпечив прогрес у вирішенні деяких важливих проблем, таких як створення нових лікарських препаратів та розробка вакцин.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили: академік С.Комісаренко, академік А.Наумовець, академік С.Костерін, академік М.Скок, член-кор. О.Резніков, член-кор. М.Куліш, професор Д.Колибо, професор О.Матишевська, докт. ф.-м.н. С.Перепилиця, к.б.н. О.Рудницька та інші.
ПОСИЛАННЯ НА ЗАПИС СЕМІНАРУ:
Ф О Т О Р Е П О Р Т А Ж З С Е М І Н А Р У
(фото – к.б.н. М.В.Григор’євої)
Академік С.Костерін відкриває засідання семінару.
Перед початком наукової доповіді академік С.Комісаренко привітав
постійну учасницю семінарських засідань докт. біол. наук Л.Бабіч с ювілеєм.
На трибуні – доповідач член.-кор. НАН України О.Корнелюк.
В залі засідань.
Запитання до доповідача від академіка М.Скок.
Запитання до доповідача від. д.ф.-м.н. С.Перепилиці.
В залі засідань.
Запитання до доповідача від проф. Л.Дробот.
Запитання до доповідача від к.б.н. О.Рудницької.
Подяка головуючого доповідачеві за чудову міждисциплінарну доповідь.
Втім, дискусії тривають й після закінчення семінару.
Колективне фото учасників міждисциплінарного семінару.
Семінар завершився, але так не хочется прощатися…
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановано на квітень м-ць 2024 р.