Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2025 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206271 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів / О.І. Корнелюк // Вісник Національної академії наук України. — 2025. — № 6. — С. 72-74. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-206271 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Корнелюк, О.І. 2025-09-05T11:11:34Z 2025 Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів / О.І. Корнелюк // Вісник Національної академії наук України. — 2025. — № 6. — С. 72-74. — укр. 1027-3239 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206271 https://doi.org/10.15407/visn2025.06.072 uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Загальні збори НАН України Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів Artificial intelligence and modeling the spatial structure of proteins (speech at the session of the General Meeting of the Nationa l Academy of Sciences of Ukraine, April 30, 2025) Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| spellingShingle |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів Корнелюк, О.І. Загальні збори НАН України |
| title_short |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| title_full |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| title_fullStr |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| title_full_unstemmed |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| title_sort |
штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів |
| author |
Корнелюк, О.І. |
| author_facet |
Корнелюк, О.І. |
| topic |
Загальні збори НАН України |
| topic_facet |
Загальні збори НАН України |
| publishDate |
2025 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Вісник НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Artificial intelligence and modeling the spatial structure of proteins (speech at the session of the General Meeting of the Nationa l Academy of Sciences of Ukraine, April 30, 2025) |
| issn |
1027-3239 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206271 |
| citation_txt |
Штучний інтелект і моделювання просторової структури протеїнів / О.І. Корнелюк // Вісник Національної академії наук України. — 2025. — № 6. — С. 72-74. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT kornelûkoí štučniiíntelektímodelûvannâprostorovoístrukturiproteínív AT kornelûkoí artificialintelligenceandmodelingthespatialstructureofproteinsspeechatthesessionofthegeneralmeetingofthenationalacademyofsciencesofukraineapril302025 |
| first_indexed |
2025-11-24T15:55:08Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:55:08Z |
| _version_ |
1850849416984920064 |
| fulltext |
72 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2025. (6)
ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ
І МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВОЇ
СТРУКТУРИ ПРОТЕЇНІВ
Шановний Анатолію Глібовичу!
Шановні присутні!
Визначення просторової структури протеїнів є необхідним ета-
пом у процесі встановлення взаємозв’язку між структурою та
функцією білків. Потік даних про первинні структури протеїнів
постійно зростає, що пов’язано зі значними успіхами в секве-
нуванні геномів організмів, однак експериментально встанов-
лені просторові структури доступні лише приблизно для 10 %
відомих послідовностей. Отримані методами ретгеноструктур-
ного аналізу та ЯМР-спектроскопії дані про 3D-структури про-
теїнів депонуються і зберігаються у банках даних просторових
структур.
Тому для аналізу більшості протеїнів особливого значення
набувають альтернативні підходи, зокрема комп’ютерні мето-
ди передбачення їхньої просторової структури, які належать
до методів біології in silico. Методи теоретичного передбачення
структури протеїнів за повнотою фізичного підходу до їх опису
можна поділити на методи розрахунку ab initio, які ґрунтуються
на вихідних фізичних принципах, та методи класичної молеку-
лярної механіки, в яких застосовують статистично встановлені
правила у вигляді силових полів.
Для побудови структурної моделі протеїну зазвичай вико-
ристовують найбільш ефективний серед емпіричних підходів —
метод моделювання за гомологією, або метод порівняльного
моделювання, оснований на фундаментальному принципі за-
лежності між рівнем гомології амінокислотних послідовностей
та подібністю їхньої просторової структури. Модель структу-
ри протеїну, побудована на основі матриці з гомологією понад
90 %, має такі ж малі похибки, як і кристалографічно визначена
структура. Моделювання за гомологією можна проводити без-
посередньо в інтернет-середовищі за допомогою таких систем,
як Swiss-Model, Modeller, I-TASSER, CPHmodels, SDSC1, FAMS,
3D-JIGSAW та ін.
КОРНЕЛЮК
Олександр Іванович —
член-кореспондент НАН
України, завідувач відділу
білкової інженерії та
біоінформатики Інституту
молекулярної біології і генетики
НАН Укра їни
doi: https://doi.org/10.15407/visn2025.06.072
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2025, № 6 73
ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ
При комп’ютерному дослідженні структури
білків виявилося, що з точки зору формування
просторової структури білки можна поділити
на дві групи: структуровані протеїни (70 %) та
внутрішньо невпорядковані протеїни (30 %),
остання з яких викликає в дослідників дуже
великий інтерес.
Невпорядковані протеїни було відкрито
порівняно недавно. Активне розшифруван-
ня повних геномів організмів засвідчило, що
велика кількість геномних послідовностей в
еукаріотичних геномах (до 30—40 %) можуть
кодувати цілі протеїни чи їх сегменти, в яких
відсутня впорядкована тривимірна структура.
Проте невпорядковані ділянки протеїнів часто
є функціональними, що суперечить класичній
точці зору про детермінацію функції протеїну
однією стабільною конформацією. Наприклад,
фосфорильований кіназоіндукований домен
(pKID) транскрипційного фактора CREB є не-
структурованим у розчині, але при зв’язуванні
з KIX-доменом CREB-зв’язувального білка
(CBP) формує альфа-спіралі, які відповідають
за функцію цього фрагмента.
Тому було сформульовано концепцію про іс-
нування невпорядкованих протеїнів, які утво-
рюють комплекси з різними білковими парт-
нерами і мають різні мінімуми енергії, тобто
кожний комплекс є специфічним. Такий підхід
істотно ускладнює картину взаємодії білків
усередині клітини.
Наведу ще один приклад. C-кінцевий домен
протеїну p53, який формує чотири різних типи
структури в комплексах з різними білками:
альфа-спіраль, бета-спіраль і два невпорядко-
вані фрагменти.
Відкриття неструктурованих білків значно
розширило парадигму, яка раніше зводилася
тільки до каталізу структурованими білками,
а тепер приводить до ансамблю невпорядко-
ваних структур та множинності функцій цих
структур у різних комплексах.
У відділі білкової інженерії та біоінформати-
ки Інституту молекулярної біології і генетики
НАН України ми досліджуємо два протеїни
апарату трансляції еукаріотів — тирозил-тРНК
синтетазу і AIMP1/р43. Виявилося, що окремі
фрагменти першого білка проявляють цитокі-
нову активність. Це не канонічна активність, а
тому такі фрагменти потенційно можуть стати
лікарськими препаратами, оскільки, як було
показано, вони спричинюють процеси апоп-
тозу та антиангіогенні ефекти, і після впрова-
дження відповідної біотехнології їх можна за-
стосовувати для інгібування росту ракових клі-
тин. Отже, ми маємо справу з терапевтичними
білками, а тому важливо дослідити їхню струк-
туру. Однак з цим виникає проблема, оскільки
ці білки неструктуровані і не кристалізуються.
Ми вперше провели комп’ютерне моделювання
повнорозмірної структури тирозил-тРНК син-
тетази.
Поліпептид AIMP1/р43 є мультифункціо-
нальним протеїном, який проявляє як влас-
тивості зв’язування тРНК, так і цитокінову
активність. Виділений білок AIMP1/р43 є пер-
спективним терапевтичним протеїном з про-
апоптотичними та антиангіогенними власти-
востями. Ми провели комп’ютерне моделю-
вання, визначивши невпорядковані ділянки
AIMP1/р43, і виявилося, що цей білок є диме-
ром. Далі нам було цікаво порівняти отримані
результати з даними, одержаними методами
штучного інтелекту.
Хотів би нагадати про значний внесок, який
останніми роками зробили методи штучного
інтелекту в розвиток комп’ютерного моделю-
вання структури білків. З 2018 р. ці методи
успішно застосовують для моделювання про-
сторової структури протеїнів. У 2020 р. в кон-
курсі CASP14 програма на основі штучного
інтелекту AlphaFold2, розроблена компанією
DeepMind, показала найкращий результат: для
двох третин пропонованих білків її точність
передбачення була більшою за 90 %. AlphaFold2
змогла спрогнозувати майбутню структуру
білків з похибкою лише в 1,6 Å, що відповідає
точності експериментальних методів — ЯМР
або рентгенівської кристалографії. База даних
AlphaFold Protein Structure Database, створена в
партнерстві з Європейським інститутом біоін-
форматики (EMBL-EBI), містить понад 200 млн
моделей структури білків, які є у вільному до-
ступі для світової наукової спільноти. Минуло-
74 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2025. (6)
ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ
Alexander I. Kornelyuk
Institute of Molecular Biology and Genetics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0146-2832
ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND MODELING THE SPATIAL STRUCTURE OF PROTEINS
Speech at the session of the General Meeting of the National Academy of Sciences of Ukraine, April 30, 2025
Cite this article: Kornelyuk A.I. Artifi cial intelligence and modeling the spatial structure of proteins (speech at the session
of the General Meeting of the Nationa l Academy of Sciences of Ukraine, April 30, 2025). Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2025.
(6): 72—74. https://doi.org/10.15407/visn2025.06.072
го року розробників AlphaFold було відзначено
Нобелівською премією.
В нашому інституті ми займаємося дизай-
ном інгібіторів як потенційних лікарських пре-
паратів. Зокрема, у відділах, якими керують
член-кореспондент НАН України С.М. Ярмо-
люк і академік НАН України М.А. Тукало, роз-
робляють інгібітори двох ферме нтів — лейцил-
тРНК синтетази та метіоні л-тРНК синтетази. З
використанням машинного навчання і штуч-
них нейронних мереж було знайдено інгібітори
з подвійною інгібувальною активністю до цих
двох синтетаз.
Однак це приклад дизайну ліків на струк-
турному рівні. Коли ж ми почали за допомогою
AlphaFold2 моделювати структуру невпоряд-
кованого протеїну AIMP1/р43, результат ви-
явився некоректним, оскільки отримана про-
сторова структура не може утворювати димер.
Річ у тім, що AlphaFold2 навчали на кристало-
графічних даних про структури, а невпорядко-
вані білки не кристалізуються, і тому програ-
ма не може правильно передбачити структуру
AIMP1/р43.
Проте наука не стоїть на місці. Нова версія
моделі AlphaFold3, яку компанія DeepMind
представила минулого року, дозволила ближче
до реальності промоделювати димерну струк-
туру протеїну AIMP1/р43. Втім, комп’ютерне
моделювання для невпорядкованих білків дає
кілька різних варіантів структури. зокрема в
невпорядкованій ділянці формуються одна чи
дві альфа-спіралі, і обидві ці структури можуть
бути функціональними. Для дослідження не-
впорядкованих протеїнів зазвичай застосову-
ють метод ЯМР-спектроскопії, з використан-
ням якого їх, власне, і було відкрито.
На ЯМР-спектрометрі в Інституті біохімії і
біофізики (Варшава, Польща) ми вперше одер-
жали просторову структуру С-кінцевого до-
мену AIMP1/р43. Отримані дані підтвердили
наявність стабільного ЕМАР-домену в його
структурі та альфа-спіралі у невпорядкованій
ділянці.
Ще один метод, який ми використовуємо,
це комп’ютерне моделювання молекулярної
динаміки. Нагадаю, що в Україні свого часу за
ініціативою академіка НАН України А.Г. Заго-
роднього було створено потужну грід-ін фра-
структуру для розрахунків, зокрема й для роз-
рахунків молекулярної динаміки.
Які ж ми бачимо перспективи розвитку до-
сліджень внутрішньо невпорядкованих білків?
Це насамперед створення експериментальної
бази просторових структур протеїнів у роз-
чині на основі даних ЯМР-спектроскопії, бази
даних динамічних структур на основі моделю-
вання молекулярної динаміки; кріоелектронна
мікроскопія; пошук функціонально важли-
вих структур комплексів протеїнів методами
штучного інтелекту. Все це в комплексі — інте-
гративна структурна біологія, яка надає мож-
ливості для вивчення невпорядкованих білків.
Ми також вважаємо за потрібне відновити
цільову комплексну програму наукових до-
сліджень НАН України «Математичне моде-
лювання у міждисциплінарних дослідженнях
процесів і систем на основі інтелектуальних
суперкомп’ютерних, грід- і хмарних техноло-
гій». Крім того, доцільно було б започаткувати
нову програму «Використання методів штуч-
ного інтелекту для розроблення нових лікар-
ських препаратів».
Дякую за увагу!
|