Нобеловата награда за химия за 2024 г. се присъжда за изследванията за протеините, ключовите химически инструменти на живота, съобщи Кралската шведска академия на науките, на която се позовава БТА.

Дейвид Бейкър е удостоен с половината от приза, затова че е успял да извърши смятаното за немислимо - да създаде напълно нови видове протеини. Демис Хасабис и Джон Джъмпър си поделят другата половина от приза за разработването на модел на изкуствен интелект (ИИ) за разрешаване на 50-годишен проблем: прогнозиране на сложни протеинови структури. Тези открития са с огромен потенциал, се посочва в прессъобщение на Кралската шведска академия на науките.

Многообразието на живота показва невероятния капацитет на протеините като химически инструменти. Те контролират и ръководят всички химични реакции, които взети заедно са основата на живота. 

Едно от откритията, почетени тази година, се отнася до конструирането на впечатляващи протеини. Другото пък е сбъдване на 50-годишна мечта - прогнозиране на протеинови структури от техните аминокиселинни последователности. И двете открития дават път на огромни възможности, каза Хайнер Линке, председател на Нобеловия комитет по химия в Кралската шведска академия на науките.

Протеините се състоят основно от 20 различни аминокиселини, които могат да се опишат и като градивни елементи на живота. През 2003 г. Дейвид Бейкър успява, използвайки тези градивни елементи, да създаде нов протеин. Оттогава неговата изследователска група постоянно създава нови протеини, сред които и такива, които намират приложение във фармацевтиката, ваксините, наноматериалите и микросензорите.

Второто отличено тази година откритие е за прогнозирането на протеинови структури. Аминокиселините в протеините са свързани в дълги вериги, които се огъват до триизмерни структури с решаващо въздействие върху функцията на протеините. От 70-те години на миналия век учените се опитват да прогнозират протеиновите структури на базата на аминокиселинните последователности, но без успех. Пробивът настъпва преди четири години.

През 2020 г. Демис Хасабис и Джон Джъмпър представят ИИ модела, наречен AlphaFold2. С негова помощ те успяват да прогнозират структурата на почти всички 200 милиона протеина, идентифицирани досега в науката. От създаването си AlphaFold2 се използва от повече от два милиона души от 190 страни. Сред множеството му приложения е и това, че учените могат да разберат повече за антибиотичната резистентност и да създават изображения на ензими, способни да разграждат пластмаси, посочват от Кралската шведска академия на науките.

Как е създаден протеинът Top7, който не съществува в природата

Дейвид Бейкър започва пътя си в науката в университета Харвард, където учи философия и социални науки. По време на курс по еволюционна биология той попада на първото издание на учебника "Молекулярна биология на клетката" и това променя пътя му. Той навлиза в клетъчната биология и е запленен от протеиновите структури. През 1993 г. започва да преподава в университета на Вашингтон в Сиатъл и изследва експериментално как се сгъват протеините. В края на 90-те години на миналия век той използва познанието от тези експерименти при разработването на компютърния софтуер "Розета" за прогнозиране на протеиновите структури. Впоследствие екипът му решава да опита да използва софтуера наопаки и вместо да въвежда в "Розета" аминокиселинни последователности, за да получи протеинови структури, въвежда протеинови структури, за да получи предложения за аминокиселинни последователности. С тях пък се създават изцяло нови протеини. Процесът е наречен de novo дизайн.

Екипът на Бейкър възлага на "Розета" да изчисли кой вид аминокиселинна последователност ще доведе до желан от тях протеин. "Розета" търси в база данни на всички известни протеинови структури фрагменти от протеини, сходни с желаната структура, оптимизира фрагментите и предлага аминокиселинна последователност. Така е създаден протеинът Top7, чиято уникална структура не съществува в природата. Той съдържа 93 аминокиселини, повече от всички протеини от de novo дизайн.

Моделирането на протеиновите структури

Демис Хасабис започва да играе шах, когато е на четири години, и на 13 години вече е майстор. Кариерата си на програмист започва още като юноша, тогава разработва и игри. След това навлиза в областта на ИИ и разработва невронни мрежи. През 2010 г. става съосновател на компанията DeepMind за производство на ИИ модели за популярни настолни игри. През 2014 г. компанията е купена от "Гугъл" , а две години по-късно се сдобива със световна слава, когато постига смятаното за "свещения граал за ИИ" - побеждава шампиона в играта Go.

През 2018 г. екипът на Хасабис побеждава в популярното състезание за CASP моделиране на протеинови структури и продължава да развива инструмента AlphaFold, но алгоритъмът не успява да подобри резултата.

Тогава към екипа се присъединява Джон Джъмпър. Той навлиза в света на физиката и математиката заради интереса си към вселената. През 2008 г. започва работа в компания, която използва суперкомпютри, за да симулира протеини и тяхната динамика. Тогава осъзнава, че физиката може да решава медицински проблеми. През 2011 г. започва да работи върху докторантура по теоретична физика и се заема с разработването на методи за симулиране на динамиката на протеините. Когато през 2017 г. научава за разработките на DeepMind в тази област, кандидатства да се присъедини към екипа. Така заедно с Хасабис усъвършенстват ИИ модела на Google DeepMind и създават AlphaFold2. Инструментът е обучен с огромната база данни за всички известни белтъчни структури и аминокиселинни последователности. На състезанието CASP през 2020 г. се оказва, че AlphaFold2 е решил ключовия проблем за химиците в областта на протеините.

Google DeepMind предоставя свободен достъп до AlphaFold2 и вече над два милиона души от цял свят са използвали модела. Доскоро бяха нужни години за получаване на протеинова структура, сега с този инструмент това става за минути. 

След състезанието през 2020 г. Бейкър добавя ИИ модел към "Розета" и така усъвършенства de novo дизайна на протеини.

Проучването на протеините е носело и друг път Нобелова награда

Нобелова награда за химия е отличавала няколко пъти в историята научни постижения в областта на протеините, сочи справка на сайта на наградите. През 1961 г. Кристиян Анфинсен е отличен за работата си, доказваща, че последователността на аминокиселините определя начина, по който веригата се огъва и в процеса не е нужна друга генетична информация.

През 1962 г. Макс Перуц става лауреат за изследванията си върху структурата на хемоглобина. През 1954 г. Лайнъс Полинг е отличен за изследванията си върху структурата на клетката. През 1951 г. той публикува изследванията си върху алфа спиралата в протеините.