Искусственный интеллект помог создать самую полную карту взаимодействий, ключевых для выживания бактерий
Исследователи из UAB создали самую полную карту бактериального эссенциального интерактома — того, как белки объединяются и взаимодействуют для выполнения функций, необходимых для выживания бактерий. В исследовании, опубликованном в журнале eLife, использовался инструмент искусственного интеллекта AlphaFold для предсказания и моделирования более 1400 взаимодействий. Результаты раскрыли ранее неизвестные детали этих механизмов и предлагают потенциальные мишени для разработки новых антибиотиков.
Бактерии осуществляют множество ключевых для выживания функций, таких как производство необходимой им энергии, репликация ДНК и деление клеток для размножения, или синтез клеточной мембраны. Все эти процессы требуют скоординированного действия набора эссенциальных белков: без них бактерии погибают.
Экспериментальные методы, применявшиеся ранее, позволили идентифицировать миллионы взаимодействий между белками и тысячи структур этих белков, но эти данные содержат большое количество ложноположительных результатов.
С помощью недавно разработанных моделей искусственного интеллекта, таких как AlphaFold2, стало возможно получать структуры белков с точностью, аналогичной экспериментальным методам, и отличать подлинные белок-белковые взаимодействия от ложных.
Исследователи использовали модель AlphaFold2 для предсказания набора эссенциальных для выживания бактерий белок-белковых взаимодействий — всего 1402 возможных взаимодействия, составляющих самую полную карту бактериального эссенциального интерактома.
«Мы получили карту бактериального эссенциального интерактома, в которой собраны все взаимодействия, необходимые для жизни и размножения бактерий. Мы структурно охарактеризовали эти взаимодействия с помощью новых инструментов ИИ, в частности AlphaFold», — объясняет руководитель исследования Марк Торрент. «Мы считаем, что эти структуры являются ориентиром для разработки новых антибиотиков, поскольку молекулы, способные ингибировать эти взаимодействия, будут вести себя как антибиотики с необычными механизмами действия».
Бактериальная активность включает от 4000 до 5000 белков (протеом), что порождает интерактом с примерно 20 миллионами возможных взаимодействий. Однако оценки показывают, что реальные взаимодействия в бактерии Escherichia coli ограничены примерно 12 000. И не все они эссенциальны.
Чтобы выделить эссенциальные взаимодействия, исследователи рассматривали только те, где два взаимодействующих белка присутствуют как минимум в двух разных бактериальных видах. С этими фильтрами и с помощью AlphaFold2 был получен набор из 1402 эссенциальных белок-белковых взаимодействий.
Отличная предсказательная сила искусственного интеллекта
Для проверки надёжности AlphaFold2 команда сравнила его предсказания с 140 ранее полученными экспериментально белок-белковыми взаимодействиями. Результат был описан как отличный: 113 из этих экспериментальных взаимодействий (81%) были предсказаны ИИ с высокой точностью.
Исследователи полагают, что многие из комплексов белок-белковых взаимодействий, найденные в экспериментальных базах данных, могут быть ложноположительными.
Новые, ранее неизвестные эссенциальные белковые комплексы
Исследователи отмечают открытие с помощью этого метода набора ранее неизвестных белок-белковых взаимодействий, действующих в девяти эссенциальных процессах:
- Биосинтез жирных кислот в клеточной мембране
- Синтез липополисахаридов в наружной мембране
- Транспорт липидов
- Транспорт белков и липопротеинов в наружной мембране
- Деление клеток
- Поддержание удлинённой формы у бацилл
- Репликация ДНК для размножения бактерий
- Синтез убихинона
Детальное понимание структуры этих вновь открытых белковых комплексов даёт новое представление о молекулярных механизмах, задействованных в этих жизненно важных бактериальных процессах, и открывает путь для разработки новых антибиотиков.