タンパク質の構造を予測するために、なぜ頭を悩ませなければならないのでしょうか?

知っていましたか？人間の体には何十万ものタンパク質が存在しますが、すべてのタンパク質はわずか 20 種類のアミノ酸で構成されています。では、これらのアミノ酸はどのようにして複雑なタンパク質を形成するのでしょうか?科学者はさまざまなタンパク質の機能をどのように研究するのでしょうか?最近、科学者たちが最先端の人工知能技術をタンパク質の予測に応用したと聞きました。何が起こっているのか？

今日は、人体のあらゆる機能に深く関係するタンパク質と、その構造を予測する方法についてお話します。

タンパク質は非常に多様な構造と機能を持つ分子です。それらの機能が非常に多様な理由は、分子内のアミノ酸の配置と組み合わせが異なるためです。アミノ酸はタンパク質の最小の分子単位です。手をつないだ 2 つのアミノ酸は脱水され、ジペプチドに凝縮されます。同様に、複数のアミノ酸をペプチド鎖に凝縮することもできます。一定の順序で凝縮されたペプチド鎖をタンパク質の一次構造と呼びます。

そこで疑問なのは、さまざまなアミノ酸がペプチド鎖上でどのように配置されているかということです。すべては遺伝子次第です！遺伝子は DNA の機能的な断片です。転写、翻訳、発現を通じて機能性タンパク質を生産し、細胞、ひいては生体全体の生命活動を制御します。

では、これらの複雑なタンパク質はどのように形成されるのでしょうか?異なるアミノ酸が遺伝子の指示に従ってペプチド鎖に配置される場合、それらは丸まったり折りたたまれたりして二次構造を形成します。このとき、アミノ酸の配列は螺旋面状になるか、折り畳まれたシート状になります。

二次構造がさまざまな方法で再び折り畳まれて球状または繊維状の三次元構造を形成すると、三次構造が形成されます。この特定の折り畳み方法により、異なるペプチド鎖が異なる形状を持ち、異なる機能を果たすことが可能になります。

これで終わりだと思いますか？実際、タンパク質に複数のペプチド鎖がある場合、複数のペプチド鎖はさらに丸まって折り畳まれ、四次構造を形成します。

したがって、タンパク質が折り畳まれる方法、つまりその構造によって、その特定の機能が決まり、また私たちの生物の機能も決まります。したがって、未知のタンパク質構造を予測することは非常に重要であり、生物の機能に関する未解決の謎を解明するのに役立ちます。

これが、科学者がタンパク質の構造を絶えず研究し続けている理由です。過去数十年の間に、私たちはX線結晶回折パターンから初めてDNAの二重らせん構造を観測しました。その後の 40 年間で、科学者はこの方法を使用してほとんどのタンパク質構造を解明しました。

しかし、一部のタンパク質を結晶化するのは非常に困難です。このため、1970 年代に英国ケンブリッジの科学者たちは、クライオ電子顕微鏡を使用してタンパク質の構造を分析する方法を開発しました。それ以来、結晶化が難しい巨大分子や膜タンパク質構造の謎が解明され、基本的な受容体タンパク質や転写複合体など、生命活動における最も基本的な分子構造が解析されてきました。この分野は数々のノーベル賞も輩出しており、その重要性は想像に難くありません。

その後、インターネット技術の急速な発展により、コンピュータアルゴリズムの能力は飛躍的に向上しました。過去2年間で非常に人気が高まったDeepMindは、人間と機械の戦いで有名になり、現在は生命高分子の構造を予測するという、より複雑な分野に移行しています。 DeepMind は、配列から構造への魔法のような予測を直接実現できる AlphaFold を開発しました。極めて困難なタンパク質相互作用の予測も、AlphaFold を他のアルゴリズムと組み合わせることで巧みに解決できます。

ディープマインドに加えて、アメリカ人も負けてはいません。シアトルのワシントン大学のデイビッド・ベイカー氏のチームは、RoseTTAFold[rəuˈzetə]ソフトウェアを使用して、遺伝子配列が不明な場合にタンパク質構造の欠落部分を補完できる強力なタンパク質構造解析ツールを作成しました。

この人気のテクノロジー分野に関しては、当然ながら我が国は負けるつもりはなく、満足のいく進歩を遂げてきましたが、それはDeepMindのオープンソースデータに基づく二次的な発展にすぎません。本当のオリジナル技術は存在せず、0から1へのブレークスルーを達成するにはまだ時間がかかるでしょう。

将来的には、より高度で革新的な技術と方法によって、タンパク質予測技術はさらに強力になると信じています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム名: ディープサイエンス

レビュー: タオ・ニン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司