Американские учёные разработали методику, которая позволяет искусственному интеллекту анализировать белки, ранее недоступные для изучения из-за слишком быстрой эволюции. Открытие, описанное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, поможет понять, как насекомые-вредители, в частности тля, атакуют сельскохозяйственные культуры, и в перспективе – найти способ им противостоять.
Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрса и Питтсбургского университета сосредоточились на белках тли, известных как BICYCLE. Эти молекулы насекомое впрыскивает в растение, чтобы перепрограммировать его клетки и заставить формировать галлы – особые наросты, которые служат вредителю укрытием и пищей. Белки BICYCLE меняются от поколения к поколению настолько быстро, что их аминокислотные последовательности не имеют аналогов в мировых базах данных. Стандартные компьютерные методы не могли их распознать и классифицировать.
Команда столкнулась с проблемой, когда попыталась предсказать трёхмерную структуру этих белков с помощью нейросети AlphaFold2. Система искусственного интеллекта, которая успешно справляется с подобными задачами, в данном случае выдала неверный результат. Причиной сбоя стало то, что AlphaFold2 для точности прогноза опирается на сравнение искомого белка с его известными «родственниками». Для белков BICYCLE таких данных в публичных базах просто не оказалось – нейросети не хватало эволюционного контекста.
Чтобы решить эту проблему, биологи сами собрали недостающую информацию. Они отловили несколько видов тли в штатах Виргиния и Западная Виргиния, а также в Японии, и расшифровали их геномы. Полученные данные о близкородственных белках учёные предоставили нейросети, после чего AlphaFold2 смогла корректно смоделировать их структуру. Результаты совпали с данными, которые ранее удалось получить экспериментально с помощью рентгеноструктурного анализа.
Применив новый подход, команда проанализировала около 2400 белков у семи видов тли. Оказалось, что все они, несмотря на огромные различия в последовательностях, построены по единому архитектурному плану. При этом их внешние, функциональные поверхности чрезвычайно разнообразны. По гипотезе учёных, общая внутренняя структура обеспечивает белкам стабильность, а постоянно меняющаяся «оболочка» позволяет им одновременно уклоняться от иммунной системы растения и атаковать всё новые цели в его клетках.
Разработанный метод открывает путь к изучению тысяч других быстро эволюционирующих белков, которые играют ключевую роль во взаимодействии паразитов и хозяев, в работе иммунитета и в других биологических процессах. Фактически биологи показали, как можно преодолеть ограничения ИИ, дополнив его работу классическими полевыми и лабораторными исследованиями.