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AIがタンパク質の隠れた秘密を解明する
人工知能(AI)は長い間、データや情報を処理する際には有効な手段として重宝されており、科学をはじめとする他の分野でも、その有用性はますます高まっています。科学者たちは、GoogleのDeepMindの協力によりAIシステムをトレーニングし、何十年もの間、科学者たちを悩ませてきたタンパク質の問題を解決しようとしています。
タンパク質は、世界中のあらゆる生物に存在し、科学的プロセスを管理するために不可欠な成分です。体内でどのように機能するのか、タンパク質は無限の形態をとることができます。
GoogleのDeepMindとは？
DeepMindは、Google社による安全な人工知能システムを作るためのAI企業であり、その主な目的は、科学を後押しして科学的発見の機会を作り出すことでした。
安全なAIを作るためのコンセプトは、AIには非常に素晴らしい利点がありますが、慎重に対処しないと世界に悪影響を与える可能性があるということです。Googleは、問題を解決し新しいアイデアを生み出すシステムによって、偏った使い方や不公平が生じないようにしたいと考え、倫理的かつ安全性を維持することに重点を置く、専門の倫理チームを結成しました。
このチームは、プロセス全体の安全性を確保するための一つの方法として、長期的および短期的なリスクの予測と防止を行い、必要に応じてリスクを管理する方法を考案しました。これらは、Google、Alan Turing Institute(英国の国立研究所)、OpenAI(非営利団体)などと共同で活動しています。
これまで多くのグループがDeepMindにより科学における問題を解決してきましたが、AI「AlphaFold」はこれまでで最大のプロジェクトの一つでした。それは、科学者たちが50年間にわたってさまざまなアイデアや理論を試みてきたにもかかわらず、まだ解明できていない問題でした。さらなる研究の結果、彼らはAIシステムを用いることで、解決策を見いだせるかもしれないと考えました。
タンパク質の謎に迫る
科学者たちは、タンパク質の何を解明する必要があったのでしょうか？ 彼らを悩ませていたのは、タンパク質分子が実際にどのようにして形成されるのかという大きな疑問でした。生命の基本であるタンパク質が重要であること、そしてDNAの構成で細胞にアミノ酸を組み合わせて特定の種類のタンパク質を作り出すよう指示する働きがあることはわかっていました。しかし、それらのアミノ酸がどのように組み合わされ、体内で使用できる複雑な３次元構造になるのかは解明されていませんでした。
複雑な構造をしていることはわかっていても、DNA配列からタンパク質が組み込まれることを予測する方法はわかっていませんでした。それは、人間の身体の仕組みにおいて、まだ解明されていない部分だったわけです。そこで、数人の科学者によって、アミノ酸の配列からどのようなタンパク質が形成されるのかを考えるAIアルゴリズム｢AlphaFold｣の開発に至たります。1972年、Christian Anfinsenは、タンパク質に含まれるアミノ酸の配列を見て、どのような形で組み込まれるのか解明できると考えました。彼はこの発見でノーベル賞を受賞しましたが、残念ながら完全に解明するまでには至りませんでした。
過去50年間にわたり、科学者のチームがこの問題に取り組んできましたが、一度も解明することはできませんでした。しかし、AIを使った最後の試みで、GoogleのDeepMindによる｢AlphaFold｣は、タンパク質の66％の形状を解明することに成功しました。科学者たちが何年もかけて取り組んできたことが、人工知能によってわずか数日で解明されてしまったのです。
完全に解明されたわけではありませんが、人工知能はタンパク質の組み込まれ方のほとんどを解明することができたことになります。これは、過去50年間の科学者が行ってきたことをはるかに上回る結果です。機械学習のおかげで、科学者はAI予測を使って、タンパク質がどのように3D構造を形成するかを合理的に予測できるようになりました。
AlphaFoldが科学にどのように役立つか
タンパク質がどのように組み込まれるかを予測できるようになれば、タンパク質がどのような働きをするのかを解明することができます。タンパク質は体全体の化学反応に欠かせないものであり、多くの病気はそれらがどのように機能するかに関係してきます。例えば、ホルモンの一種であるインスリンは、タンパク質の働きによって生成されます。どのタンパク質が、インスリンに影響を与える３次元のタンパク質に形成されるかがわかれば、体内のどこで問題が起きているのかがわかりやすくなります。
一連のアミノ酸がほんの少し変化するだけで、健康に大きな影響を及ぼすことがあります。そのため、科学者たちは、ホルモンや酵素、抗体の機能不全をはじめとするさまざまな病気に、タンパク質がどのように関わっているかを常に研究しています。
タンパク質の３次元構造がわかったことで、認知症や癌など、さまざまな病気について解明することができるようになりました。病気がどのように発生しているかがわかれば、管理もしやすくなります。
タンパク質の構造は、ドラックデザイン(医薬品設計)にも欠かせません。多くの薬はタンパク質の使用を必要としますが、タンパク質が何に作用し、どのように反応するのかがわかっていないと使用することができません。これは、COVID-19パンデミックの際に研究された分野の一つです。
今後について
AIが提供する情報によって、多くのタンパク質についてわかってきていますが、科学者がすべてを把握できたわけではなく、さまざまな種類のタンパク質がどのように連携するのか、まだ解明されていません。また、タンパク質がRNAやDNAとどのように相互作用するのかについても、今後さらに解明していく必要があります。
私たちの体がどのように機能しているのかを理解することは、科学者による治療薬の開発など、健康問題の解決に役立ちます。現在では多くの分野が解明されていますが、タンパク質は科学者がまだ解明できてない数少ない分野の一つでした。しかし、その状況は変わりつつあります。
タンパク質の組み込みプロセスが何であるか解明するには、人間が作り出した技術が必要でした。人工知能が、科学者が古くから抱えていた問題を解決するための手段として、正しい選択であることが証明されました。人間の頭脳では限界であったことが、コンピュータの能力をもって、複雑な問題の解決策を生み出すことができたのです。さらなるタンパク質の解明が、今後の医学の発展に貢献するのではないでしょうか。
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