In Slim, slimmer, slimst, het nieuwe Pocket Science-deel, vertelt wetenschapsjournalist Bennie Mols hoe kunstmatige intelligentie de mens een turboboost geeft. In dit voorproefje: hoe helpt AI biochemici om de structuur van eiwitten te ontrafelen?
Eiwitten zijn de biochemische werkpaarden van je lichaam. Ze zorgen ervoor dat je ingewanden voedsel opnemen, dat je botten groeien, dat je ogen kunnen zien en dat beschadigde cellen worden gerepareerd. Bij elke lichaamsfunctie zijn eiwitten betrokken, in totaal zo’n tienduizend verschillende soorten.
Nadat een eiwit in een cel is gemaakt, vouwt het zich automatisch in een complexe driedimensionale vorm. De vouw-instructies komen van de informatie die in de reeks aminozuren van het eiwitmolecuul ligt opgeslagen. De vorm die het eiwit aanneemt is van cruciaal belang voor zijn functie. Eiwitten die verkeerd vouwen kunnen tot ziekte leiden.
‘Invasieve exoten bestrijden doet meer kwaad dan goed’
Het is doorgaans geen goed idee om invasieve exoten te bestrijden, stelt Menno Schilthuizen. Daarmee vertraag je het natuurlijke proces.
Begin jaren zestig van de vorige eeuw zagen biologen in dat het vouwen van al die verschillende soorten eiwitten een van de grote onopgeloste problemen van de biologie was. De vraag die ze zo graag wilden beantwoorden, was deze: stel dat je de reeks aminozuren van een eiwit kent, wat is dan de driedimensionale vorm die het eiwit gaat aannemen? Decennialang zat er weinig anders op dan om te proberen in een laboratorium een bepaald eiwit te maken en zijn vorm met ingewikkelde instrumenten proberen te bepalen. Vaak deed een enkele promovendus er jaren over om de vorm van één eiwit experimenteel te achterhalen.
AlphaFold
Dankzij AI is het probleem van de eiwitvouwing in de afgelopen jaren grotendeels opgelost. Voortbouwend op de lerende technieken die werden ontwikkeld voor de go-spelende computer AlphaGo ontwikkelden onderzoekers van AI-bedrijf DeepMind het AI-programma AlphaFold. Dit programma gebruikt voor het voorspellen van eiwitstructuren een diep lerend neuraal netwerk dat is getraind op duizenden bekende eiwitten en hun driedimensionale structuren. In 2020 wist AlphaFold voor het eerst vele eiwitstructuren minstens zo nauwkeurig te voorspellen als laboratoriumexperimenten ze in kaart konden brengen.
Twee jaar later, in 2022, had AlphaFold al de vorm voorspeld van meer dan tweehonderd miljoen eiwitten van een miljoen biologische soorten. 35 procent van die voorspellingen was zeer nauwkeurig en 45 procent was nauwkeurig genoeg voor de meeste praktische toepassingen. Het kost AlphaFold slechts tien tot twintig seconden om een enkele eiwitvoorspelling te doen en dat scheelt biologen ongelofelijk veel tijd. ‘AlphaFold is een unieke en gedenkwaardi-ge vooruitgang in de levens- wetenschappen die de kracht van AI demonstreert’, schreef Eric Topol, directeur van het Amerikaanse Scripps Research Translational Institute, dat zich richt op het personaliseren van de gezondheidszorg via een combinatie van genetica en digitale technologieën.
Nieuwe medicijnen en eiwitten
Omdat de precieze vorm van een eiwit grotendeels zijn functies bepaalt, kan AlphaFold onderzoekers helpen bij het ontrafelen van de biochemische oorzaken van ziekten en bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen. Bij het ontwikkelen van medicijnen wordt namelijk vaak gebruikgemaakt van hoe een eiwit er in drie dimensies uitziet, maar die vorm moet dan wel eerst bekend zijn.
Onderzoekers van over de hele wereld waren er als de kippen bij om AlphaFold, dat gelukkig gratis beschikbaar werd gesteld, in te zetten voor het versnellen van hun wetenschappelijke werk. Zo gebruikte een biochemicus AlphaFold om de structuur van een sleutel- eiwit van een malariaparasiet te bepalen. Vervolgens kon hij achterhalen waar antilichamen die de overdracht van de parasiet zouden kunnen blokkeren waarschijnlijk zouden binden. Dat inzicht kan nu worden gebruikt om verbeterde malariavaccins te ontwerpen. Andere biochemici identificeerden met AlphaFold enzymen die in de natuur voorkomen en die wellicht kunnen worden aangepast om plastics te verteren en te recyclen.
AlphaFold versnelt niet alleen bestaand onderzoek, het maakt ook geheel nieuwe soorten onderzoek mogelijk. Zo gebruiken biologen het AI-instrument bijvoorbeeld om nieuwe eiwit-families te ontdekken en om de evolutie van eiwitten te bestuderen.
