Biologia strukturalna będzie korzystać z zaawansowanych metod takich jak mikroskopia elektronowa wspomaganych sztuczną inteligencją. To zmieni krajobraz nauk o życiu. Nie można jednak zapominać o kluczowym znaczeniu badań eksperymentalnych – takie wnioski płyną z konferencji iNext-Discovery Foresight Meeting. Trzydniowe wydarzenie odbywało się w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie.
Jesteśmy zbudowani z atomów, podobnie jak cała przyroda ożywiona i nieożywiona. Atomy łączą się w cząsteczki. Wiele z cząsteczek, które funkcjonują w żywych organizmach, jest bardzo złożonych: na przykład DNA i RNA czy białka. Do badania tych molekuł na poziomie atomowym, potrzebne są metody, które pozwalają „powiększyć” je dziesiątki czy setki milionów razy, aby zwizualizować nawet najmniejsze elementy składowe. Tu właśnie wkracza dyscyplina w naukach o życiu, zwana biologią strukturalną.
Dzięki niej możemy poznać reakcje chemiczne, leżące u podstaw funkcjonowania organizmów. Możemy zrozumieć jak powstają choroby, w tym te genetyczne lub jak namnażają się wirusy. Biologia strukturalna pozwala również wizualizować, w jaki sposób leki przyłączają się do cząsteczek w komórce. Dzięki temu jesteśmy w stanie optymalizować ten proces, a w konsekwencji tworzyć nowe terapie czy poprawiać właściwości istniejących leków.
Przez trzy dni, od 8 do 10 lipca, stolicą biologii strukturalnej był Kraków. Pod Wawel zjechali najwybitniejsi eksperci z tej dziedziny, by wziąć udział w konferencji iNext-Discovery Foresight Meeting. Gośćmi byli m.in. prof. Harald Schwalbe z Uniwersytetu J.W. Goethego we Frankfurcie czy dr Lizbe Koekemoer z Centrum Odkryć Medycznych (CMD) Uniwersytetu w Oksfordzie. Obecna była także dr Isabel Moraes, biolożka strukturalna, reprezentująca Google DeepMind, jednego ze światowych liderów rozwoju sztucznej inteligencji stosowanej w nauce.
Sztuczna inteligencja będzie w coraz większym stopniu kształtować krajobraz nauk biologicznych, w tym biologii strukturalnej, za sprawą narzędzi takich jak Project Astra – przekonywała.
Prof. Marcin Nowotny z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie potwierdził, że AI już dziś efektywnie wspomaga pracę biologów strukturalnych podczas prac nad określaniem atomowej budowy złożonych cząsteczek chemicznych z żywych organizmów. Wraz z nieuchronnym rozwojem technologicznym sztuczna inteligencja będzie wpływać na kolejne obszary badań, takie jak analiza danych, w tym obrazowanie w biologii czy modelowanie dużych systemów. Prof. Matthias Bochtler z MIBMiK zwrócił przy tym uwagę, że społeczność akademicka nie powinna bezwiednie używać gotowych narzędzi tworzonych przez firmy, lecz aktywnie uczestniczyć w ich tworzeniu.
W oku synchrotronu
Nad gośćmi konferencji unosił się genius loci Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS Uniwersytetu Jagiellońskiego, jedynego w Polsce i pierwszego w tej części Europy ośrodka dysponującego synchrotronem. Jest to najnowocześniejsze i największe multidyscyplinarne urządzenie badawcze w kraju. Na świecie działa zaledwie kilkadziesiąt synchrotronów.
Te potężne urządzenia zbudowane na planie pierścienia (krakowski SOLARIS posiada 96 metrów obwodu) są akceleratorami (przyspieszaczami) elektronów i źródłem wyjątkowego światła – promieniowania synchrotronowego, które pozwala zajrzeć w głąb materii. Do synchrotronu dołączane są linie badawcze, które możemy wyobrazić sobie jako niezwykle wydajne mikroskopy. Pozwalają one dokładnie uchwycić dowolny wycinek rzeczywistości na poziomie cząsteczek i atomów. Centrum SOLARIS służy m. in. fizykom i chemikom, a obecnie na synchrotronie trwają prace na budową nowoczesnej stacji pomiarowej do krystalografii białek, z której będą korzystać biolodzy strukturalni. Znajdzie ona zastosowanie m. in. w projektach, których celem jest projektowanie nowych leków.
Zarówno biologia strukturalna, jak i technologie sztucznej inteligencji są nam niezwykle bliskie – mówi dr hab. Jakub Szlachetko, dyrektor Centrum SOLARIS. – Inwestujemy znaczne środki w rozwój kolejnych metod badawczych, które dopełnią portfel technik istotnych dla biologii strukturalnej. Mam tu na myśli w szczególności budowę linii badawczych dedykowanych do krystalografii i rozpraszania
promieniowania rentgenowskiego.
W Centrum SOLARIS obok synchrotronu funkcjonuje również laboratorium Kriomikroskopii Elektronowej SOLARIS (Cryo-EM), które powstało dzięki bezprecedensowemu solidarnemu wysiłkowi środowiska biologów molekularnych. Dysponuje ono dwoma nowoczesnymi kriomikroskopami elektronowymi. Laboratorium jest jedną z najlepszych tego typu pracowni w Europie, a przeprowadzone w nim badania stały się podstawą wielu publikacji w
czołowych międzynarodowych czasopismach naukowych.
Elektronowy przełom
Przez kilkadziesiąt lat w biologii strukturalnej dominowała metoda zwana krystalografią białek. Polega ona na uzyskiwaniu mikroskopijnych kryształów badanej substancji biologicznej, które oświetla się je promieniami rentgena. W latach dziewięćdziesiątych w Poznaniu powstało pierwsze laboratorium krystalografii białek, kierowane przez prof. Mariusza Jaskólskiego.
Metody te nie pozwalały na poznanie struktury wielu ważnych molekuł działających w żywych organizmach, szczególnie tych bardzo złożonych i elastycznych. Dekadę temu nastąpił ogromny przełom w biologii strukturalnej, dzięki opracowaniu nowych metod mikroskopii elektronowej, które pozwalają wizualizować cząsteczki biologiczne z precyzją podobną do krystalografii. W 2017 roku Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie skutecznej metody generowania trójwymiarowych obrazów cząsteczek życia. Korzystając z kriomikroskopii elektronowej, naukowcy mogą teraz zamrażać biomolekuły w ruchu i przedstawiać je z rozdzielczością atomową. Metoda ta jest jednak żmudna i długotrwała – określenie jednej struktury cząsteczki biologicznej nierzadko trwa miesiącami czy latami.
Przyszłość jest już dziś
Obecnie jesteśmy w trakcie kolejnego przełomu. Świętym Graalem bioinformatyki (biologii komputerowej / obliczeniowej) było opracowanie metod komputerowych pozwalających na przewidywanie struktur przestrzennych cząsteczek biologicznych, bez potrzeby stosowania krystalografii czy mikroskopii elektronowej. Krok milowy w kierunku realizacji tego marzenia nastąpił około dwa lata temu. Obecne przewidywania komputerowe budowy atomowej białek nie odbiegają już w wielu przypadkach jakością od struktur określanych metodami
doświadczalnymi, a ich przygotowanie trwa sekundy, nie lata. Kolejne wyzwania to zastosowanie tych metod do przewidywania zmian kształtu cząsteczek (jest to element działania wielu z nich), czy identyfikacji nowych substancji, które mogą stać się lekami.
Dynamiczny rozwój biologii strukturalnej w ostatnich latach pozwala nam poznawać molekularne podłoże chorób – podkreśla dr hab. Miłosz Ruszkowski, kierownik Zakładu Biologii Strukturalnej Eukariontów Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. – Dzięki temu możliwe jest opracowywanie terapii cechujących się wysoką skutecznością przy minimalnych efektach ubocznych. Co więcej, stoimy teraz o krok od stosowania technik strukturalnych, na przykład kriotomografii elektronowej, w diagnostyce nowotworów czy chorób neurodegeneracyjnych. Nie chcemy, aby w Polsce ta szansa nas ominęła – dodaje.
Szybkie zmiany, jakie zachodzą w świecie nauki, rodzą również potrzebę nowego podejścia do kształcenia przyszłych biologów. Coraz większy nacisk będzie kładziony na technologie bioinformatyczne. W laboratorium biologa strukturalnego jednym z kluczowych narzędzi będzie superkomputer z aplikacją AI – dlatego konieczny jest wzrost nakładów na infrastrukturę informatyczną, także w kontekście nauk o życiu – przekonywali uczestnicy konferencji.
Jest jasne, że ograniczenia technik opartych o AI powodują, że nie zastąpią one metod doświadczalnych w najbliższym czasie. Mogą jednak ogromnie ułatwić i przyspieszyć badania w biologii strukturalnej – twierdzi prof. Marcin Nowotny. – Nie wiemy, czy komputery dostarczą nam lek na raka albo eliksir wiecznej młodości, jednak z pewnością nowe, coraz bardziej skuteczne narzędzia pozwolą łatwiej, szybciej i taniej prowadzić badania naukowe, a to rodzi nadzieję na rozwiązanie najbardziej palących problemów medycznych w perspektywie najbliższych dekad.
Uczestnicy konferencji iNext zgodnie uznali, że pojawiające się niekiedy tezy, jakoby efekty użycia sztucznej inteligencji nie wymagały weryfikacji eksperymentalnej, stanowią zagrożenie dla nauki. Jak podkreślili dr Piotr Wilk z Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Claudia Alen Amaro z INSTRUCT-ERIC, instytucje finansujące naukę muszą mieć świadomość, że hipotezy generowane przez AI nie mogą zastąpić badań eksperymentalnych. Mogą jedynie je przyspieszyć.
Spotkanie w Krakowie było organizowane wspólnie przez europejskie konsorcja koordynujące dostęp do dużych infrastruktur badawczych (platform sprzętu naukowego): iNext Discovery oraz INSTRUCT-ERIC. Do pierwszego z nich należą polskie instytucje, o akces do drugiego dopiero zabiegamy. Krakowska konferencja stanowiła krok milowy w tych dążeniach. Współorganizatorami były: Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris, Uniwersytet Jagielloński, Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu, Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ w Krakowie.
MK
