Naukowcy z Sano – Centrum Zindywidualizowanej Medycyny Obliczeniowej oraz Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego stworzyli internetowe narzędzie, które porządkuje ogromne zbiory danych na temat białek. Dzięki temu łatwiej będzie odkrywać, jak działają one w naszym organizmie, jak pomagają w leczeniu chorób i jak szukać nowych leków.
Białka to podstawowe elementy budulcowe i funkcjonalne każdej komórki. Odpowiadają za ogromną liczbę procesów – od trawienia i oddychania komórkowego, po odporność i naprawę tkanek. Ich działanie zależy od przestrzennego kształtu, struktury, która powstaje w wyniku zwijania się łańcucha aminokwasów. Zrozumienie, jak wyglądają te struktury i jakie mają funkcje, jest kluczowe w biologii i medycynie, na przykład przy projektowaniu nowych leków, które muszą dokładnie pasować do konkretnych białek w organizmie.
W ciągu zaledwie dwóch lat liczba znanych struktur białek wzrosła z 200 tysięcy do niemal miliarda. Naszym celem było nie tylko uporządkowanie tych danych, ale stworzenie narzędzia, które pomoże lepiej zrozumieć biologię białek – wyjaśnia dr Tomasz Kościołek, lider zespołu Genomiki Strukturalnej i Funkcjonalnej w Sano – Centrum Zindywidualizowanej Medycyny Obliczeniowej w Krakowie.
Naukowcy z tego ośrodka, we współpracy z badaczami z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, dowiedli, że największe światowe bazy danych komputerowych modeli struktur białkowych – w tym słynna AlphaFold (Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2024 roku) – wzajemnie się uzupełniają. Połączone w jeden system tworzą zatem spójną przestrzeń analizy struktur i funkcji białek.
W ramach projektu powstało interaktywne narzędzie internetowe, które umożliwia wizualne przeglądanie ogromnej ilości danych. Użytkownicy mogą w intuicyjny sposób analizować zależności między kształtem białka a jego rolą w organizmie.
Nowe podejście do odkrywania funkcji białek
To kolejny etap pracy zespołu, który w 2023 roku opublikował badania nad białkami mikrobiomu w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”. Obecnie naukowcy zintegrowali dane z trzech największych źródeł przewidywanych struktur białkowych: AlphaFold, ESMAtlas oraz Microbiome Immunity Project. Badacze pokazali, że mimo różnych źródeł, dane te układają się w logiczny sposób – białka o podobnej funkcji często mają podobną strukturę i występują w zbliżonych rejonach przestrzeni danych. To zjawisko nazwano „lokalnością funkcji”.
W badaniach wykorzystano techniki sztucznej inteligencji, takie jak deepFRI, które pozwalają przewidywać funkcję białek nawet wtedy, gdy ich sekwencje nie przypominają znanych wcześniej przykładów. Dzięki temu udało się zidentyfikować nieznane wcześniej warianty białek, które mogą brać udział np. w transporcie lipidów czy reakcjach biochemicznych w organizmach żyjących w ekstremalnych warunkach.
Wierzymy, że nasza platforma przyczyni się do tworzenia lepszych metod diagnostycznych, terapeutycznych, a także pomoże zrozumieć, jak wygląda życie molekularne na poziomie struktur białkowych – mówi dr Paweł Szczerbiak z Sano, główny autor artykułu na ten temat opublikowanego na łamach „Nature Communications”.
Nowa platforma umożliwia badaczom z całego świata korzystanie z tych danych w celach naukowych – od badań mikrobiomu, przez ewolucję białek, aż po projektowanie nowych leków i terapii. Dzięki wizualnemu podejściu, narzędzie to może również wspierać edukację i lepsze zrozumienie złożoności biologii molekularnej. Projekt powstał we współpracy międzynarodowej z Flatiron Institute (USA) oraz Open Molecular Software Foundation (USA).
MK, źródło: MCB UJ