כדי לפתור בעיה, עלינו לראות אותה בבירור.
בין אם מדובר בזיהום על ידי נגיף חדש או לוחות גניבת זיכרון הנוצרים במוחם של חולי אלצהיימר, הדמיית תהליכי מחלה בגוף היא הצעד הראשון לקראת הקלת הסבל האנושי. זה לעתים קרובות גם הקשה והיקר ביותר.
אולם פריצת דרך של בינה מלאכותית (AI) של מדעני מחשבים של וירג'יניה טק פרסמו 16 בספטמבר במערכות סלולריות – כתב עת השפעה גבוהה המוקדש למחקר ביולוגי – מביא את אותם תהליכים כבולים ערפל למוקד.
הכלי החדש של PRORNA3D -SINGLE שפותח על ידי Debswapna Bhattacharya, פרופסור חבר למדעי המחשב, וצוות המחקר שלו מציע דרך חדשה ומדויקת יותר לחזות ולהמחיש את המתרחש בתוכנו כאשר נגיפים חדשים והרסו מחלות נוירולוגיות הרסניות – מציע מסלול חדש לטיפול בהם או למנוע אותם לחלוטין.
המטרה הסופית היא להאיץ את תהליך גילוי התרופות כדי למנוע את נגיפי ה- RNA לקיים אינטראקציה עם חלבונים מארחים, עלול להפסיק זיהומים לפני שהם צומחים למגיפות או לעכב את התפקוד המשתנה של חלבונים הקשורים ל- RNA במחלת האלצהיימר. "
Debswapna Bhattacharya, פרופסור חבר למדעי המחשב
צ'אט דו לשוני לביולוגיה
במשך עשרות שנים מדענים נאבקו להבין כיצד חומצה ריבונוקלאית נגיפית (RNA) נקשרת לחלבונים אנושיים ליצירת מבנים מולקולריים תלת -ממדיים מורכבים. זה חשוב מכיוון שצורות אלה שולטות אם פתוגנים כמו SARS-COV-2 יכולים להתפשט או אם מחלות כמו אלצהיימר תופס.
מערכות AI עוזרות על ידי יצירת "אלף -בית" לייצוג DNA, RNA וחלבונים, בהם החוקרים יכולים אז להשתמש בכדי להכשיר מודלים של שפה גדולה (LLMs) לרצפים ביולוגיים כדי לנתח ולהדמה כיצד מולקולות אלה מתקשרות בגוף.
אבל Prorna3d-single הולך רחוק יותר מאלפבית. הוא משתמש ב- AI כדי ליצור תמונות מפורטות דק של מולקולות אלה בתלת מימד.
"ה- Bio LLMs הם בעצם כמו chatgpt, אבל עבור רצפים ביולוגיים. ובדיוק כמו chatgpt, אנו יכולים לשאול את הדגמים שלנו שאלות ולקבל תשובות," אמרה בהטאריה.
צוות וירג'יניה טק לקח שני LLMs ביולוגיים קיימים – אחד לחלבונים ואחד אחר עבור רצפי RNA – ויצר דגם שלישי המאפשר ל- LLMs אלה "לדבר" זה לזה. מתוך אותן "שיחות", PRORNA3D-Single יכול לייצר מודלים מבניים תלת-ממדיים של RNA נגיפי המתקשר עם חלבונים בגוף. זו פריצת דרך גדולה.
"זה בעצם זיווג עצבי של שני דגמי שפה גדולים ושונים, המובילים להנמקה דו לשונית", אמרה בהטצ'ריה. "מבחינת מדעי המחשב, זו תרומה בפני עצמה."
אפילו דגמי AI פורצי דרך אחרונים שפותחו על ידי Google Deepmind ואחרים נפלו הרבה יותר מחיזוי מדויק ומודלים מבני תלת מימד מורכבים של חלבון RNA, והותירו לחוקרים להסתמך בעיקר על ניסויים יקרים לניסויים וטעייה.
אולם השיטה החדשה של PRORNA3D-Single הגדילה משמעותית את הדיוק ופתחה דרך חדשה ומבטיחה לתגלית מדעית בסיוע AI.
הבאת מחלה למיקוד
מעט מאוד ידוע על האופן בו נגיפים חדשים כמו SARS-Cov-2 מתפתחים או כיצד מתפתחים תנאים כמו דמנציה ברמה המולקולרית, אך PRORNA3D-Single מסייעים במילוי פערים אלה ולייצר מפות מדויקות יותר של הנוף הפנימי. כעת, במקום לנחש, מפתחי תרופות יכולים לנתח היכן נגיפים נצמדים לחלבונים אנושיים ולעיצוב טיפולים כדי לחסום אותם. זה יכול לקצץ באופן דרמטי את זמן ועלות ההתערבויות ולהאיץ את התגובות להתפרצויות.
"אם אתה זוכר את המגיפה Covid-19 ואת החיסון מבוסס mRNA שבאמת עזר רבות-החיסון הזה עבד מכיוון שזה היה טיפולי מבוסס RNA," אמר סומיט טרפדר, דוקטורט שנה רביעית. סטודנט בפרויקט. "דוגמנות של אינטראקציות בין חלבון RNA בתלת מימד היא קריטית, כך שנדע היכן התרופה יכולה למעשה למקד למולקולות הגורמות למחלות."
לא רק זה, אלא על ידי יצירת נתונים חדשים על אינטראקציות בין חלבון RNA, המודל Prorna3d-single יוצר תובנות שיכולות להוביל לטיפולים פורצי דרך למגוון מחלות.
בעוד שצוות וירג'יניה טק השתמש בוירוסים כמחקר מקרה, "השיטה היא גנרית לחלוטין. זה לא ספציפי לסוג אחד של וירוס או למשפחה של וירוסים", אמר בהטצ'ריה. "ניתן ליישם שיטה זו על כל מקרה שימוש."
מדע פתוח, השפעה גלובלית
שיטות חדשניות כמו PRORNA3D-Single אינן מגיעות בקלות. שנתיים של עבודה נכנסו לפרויקט זה.
בוגר רחמטוללה רוש, '24, עשה הרבה מהקידוד, והפרסם יותר מתריסר מאמרים בנושא במהלך עבודתו הדוקטורט. מאז הוא הצטרף לאוניברסיטת קולומבוס סטייט כפרופסור לעוזר מסלול קביעות.
"סטודנטים לתואר שלישי מוביל עשו עבודה אדירה", אמר בהטאריה. "הם עשו את רוב ההרמה הכבדה."
תגליות כמו אלה יכולות לשפר את החיים בקנה מידה לאומי ואפילו עולמי, וכמדע לטובת הציבור, פרויקט זה קיבל מימון מהקרן הלאומית לבריאות ומדע לאומי. לא רק שמאמר המחקר הוא גישה פתוחה, אלא שבהטטאריה הופכת את הכלי החדש עצמו לזמין בחופשיות עבור מדענים לנסות בעצמם.
"איננו יכולים להפריז בחשיבות השקעה במדע לטובת החברה. אנו מאמינים כי פתיחות היא המפתח להנגיש את המדע לכולם", אמרה בהטאריה. "משלמי המס מממנים אותנו, אז יש לנו חובה להחזיר, וזו הסיבה שאנו הופכים את העבודה שלנו לקוד פתוח ולזמין לציבור."
הצוות מקווה להמשיך בפיתוח הכלי לשיפור הדיוק שלו ולקבל מודלים מפורטים עוד יותר של תהליכים ביולוגיים שונים.
"עלינו להזכיר לעצמנו כל הזמן שהבעיה רחוקה מלהיפתר", אמרה בהטטאריה. "התקדמנו, כן, אבל אנו מודעים לעובדה שלדגמים האלה יש דרך ארוכה לעבור."
