Proteínas e inteligencia artificial

 En el programa 5 dies de 9/6/23 hablamos con Antònia Ferrer Ferrà sobre el uso de la inteligencia artificial para deducir la estructura de las proteínas y para sintetizar proteínas inexistentes en la naturaleza.

Todos sabemos que la información genética, codificada como ADN, es la que nos permite actuar como seres vivos y es la que determina que un ser humano sea diferente, por ejemplo, a una hormiga o una lechuga.

La información del ADN en realidad es usada por los seres vivos para fabricar sus propias proteínas. De aquí se deduce que son las proteínas las moléculas que verdaderamente ejercen las funciones  clave que distinguen a los seres vivos del resto de la materia del Universo. Las proteínas actúan como máquinas microscópicas  con funciones muy diversas: 

• plástica: pues son el armazón de los tejidos y órganos, como el colágeno de los huesos o la piel.

• reguladora: acelerando y permitiendo todas las reacciones químicas del organismo, como hacen las enzimas.

• defensiva: protegiendo al ser vivo frente a infecciones, como los anticuerpos.

• contráctil: permitiendo el movimiento, como hacen en el músculo la actina y la miosina.

• transportadora: llevando sustancias allá donde se requieren, como hace la hemoglobina con el oxígeno.

• de reconocimiento: de modo que las proteínas de la superficie celular les permiten reconocer señales químicas o distinguir entre las células propias y las ajenas o los microbios.

• y muchas más...

Las proteínas están compuestas por la unión de pequeñas moléculas llamadas aminoácidos. 20 aminoácidos diferentes se unen en una secuencia de centenares o miles de ellos, como los eslabones de una cadena. Sin embargo, debido a las interacciones entre los eslabones situados a cierta distancia, las cadenas se repliegan sobre sí mismas, generando una conformación tridimensional única, que es la que determina que actúen de foma sorprendente, como esas micromáquinas que antes citamos. https://www.youtube.com/watch?v=KpedmJdrTpY&t=1s

Hasta hace muy poco, determinar la estructura tridimensional de una proteína y poder explicar su funcionamiento era un trabajo carísimo, lento y muy complejo, que dependía de técnicas como la difracción de rayos X para su análisis cristalográfico o la resonancia magnética.

Muchos de nosotros hemos experimentado con la inteligencia artificial para mantener una conversación o producir textos con chatbots, como ChatGPT4, de OpenAI o Bard, de Google. ¿Podría usarse la inteligencia artificial para deducir la estructura tridimensional de las proteínas a partir de su secuencia de aminoácidos, la cual es fácilmente conocida?

Esto es lo que se ha hecho con AlphaFold 2, de DeepMind, una compañía propiedad de Alphabet Inc., la empresa matriz de Google. Proporcionándole multitud de estructuras tridimensionales de proteínas ya conocidas AlphaFold 2 ha aprendido a deducir con gran precisión y rapidez la estructura de las proteínas, simplemente a partir de su secuencia de aminoácidos. Así se ha determinado la estructura de los 200 millones de proteínas conocidas. https://elpais.com/ciencia/2022-07-28/la-inteligencia-artificial-de-google-predice-la-estructura-de-todas-las-proteinas-conocidas-y-abre-un-nuevo-universo-para-la-ciencia.html

No sólo eso, una evolución de estas capacidades, como probaron en la Universidad de Toronto https://www.nature.com/articles/s43588-023-00440-3 mediante el programa ProteinSGM y el uso de OmegaFold, permite el proceso inverso: construir la secuencia a partir de la forma tridimensional previamente diseñada y capaz de ejercer una función nueva, creando proteínas inexistentes en la naturaleza. De ese modo podemos crear las micromáquinas capaces de ejercer esa función: por ejemplo, podemos sintetizar nuevos fármacos, curar enfermedades hasta ahora incurables, modificar fácilmente las características de los seres vivos, para, por ejemplo, crear calabacines rojos o pescado con textura y sabor a pollo. Incluso ampliar las capacidades del ser humano, de modo que el cuerpo produzca su propia vitamina C y ya no sea necesaria en la dieta, como ocurre en la mayoría de animales, o podamos “ver”, por ejemplo, el calor de los objetos, tal como hacen las serpientes o los mosquitos para reconocer a sus presas, percibamos los olores como un perro, poseamos la fuerza de un gorila…

En el vídeo explicamos qué alimentos son los más ricos en proteínas (huevos, leche, carne, pescado, legumbres y sus derivados, como el queso, el tofu…) así cómo están conformadas las proteínas.

*****

Tots sabem que la informació genètica, codificada com a ADN, és la que ens permet actuar com a éssers vius i és la que determina que un ésser humà sigui diferent, per exemple, a una formiga o una lletuga.

La informació de l'ADN en realitat és utilitzada pels éssers vius per fabricar les seves proteïnes. D'aquí es dedueix que les proteïnes són les molècules que veritablement exerceixen les funcions clau que distingeixen els éssers vius de la resta de la matèria de l'Univers. Les proteïnes actuen com a màquines microscòpiques amb funcions molt diverses:

-plàstica: doncs són la carcassa dels teixits i òrgans, com el col·lagen dels ossos o la pell.

-reguladora: accelerant i permetent totes les reaccions químiques de l'organisme, com fan els enzims.

-defensiva: protegint en ser viu davant infeccions, com els anticossos.

-contràctil: permetent el moviment, com fan al múscul l'actina i la miosina.

-transportadora: portant substàncies allà on es requereixen, com fa l'hemoglobina amb l'oxigen.

de reconeixement: de manera que les proteïnes de la superfície cel·lular els permeten reconèixer senyals químics o distingir entre les cèl·lules pròpies i les alienes o els microbis.

….i moltes més.

Les proteïnes estan compostes per la unió de petites molècules anomenades aminoàcids. 20 aminoàcids diferents s'uneixen en una seqüència de centenars o milers, com les baules d'una cadena. No obstant això, a causa de les interaccions entre les baules situades a certa distància les cadenes es repleguen sobre sí mateixes, generant una conformació tridimensional única, que és la que determina que actuïn de forma sorprenent, com aquestes micromàquines que abans esmentem. https://www.youtube.com/watch?v=KpedmJdrTpY&t=1s

Fins fa molt poc, determinar l'estructura tridimensional d'una proteïna i poder explicar-ne el funcionament era un treball caríssim, lent i molt complex, que depenia de tècniques com la difracció de raigs X per a la seva anàlisi cristal·logràfica o la ressonància magnètica.

Molts de nosaltres hem experimentat amb la intel·ligència artificial per mantenir una conversa o produir textos amb chatbots, com ara ChatGPT4, d'OpenAI o Bard, de Google. Es podria fer servir la intel·ligència artificial per deduir l'estructura tridimensional de les proteïnes a partir de la seva seqüència d'aminoàcids, fàcilment coneguda?

Això és el que s'ha fet amb AlphaFold 2, de DeepMind, una companyia propietat d'Alphabet Inc., l'empresa matriu de Google. Proporcionant multitud d'estructures tridimensionals de proteïnes ja conegudes AlphaFold 2 ha après a deduir amb gran precisió i rapidesa l'estructura de les proteïnes simplement a partir de la seva seqüència d'aminoàcids. Així, s'ha determinat l'estructura dels 200 milions de proteïnes conegudes.

No només això, una evolució d'aquestes capacitats, com van provar a la Universitat de Toronto https://www.nature.com/articles/s43588-023-00440-3 mitjançant el programa ProteinSGM i l'ús d'OmegaFold, permet el procés invers , construir la seqüència a partir de la forma tridimensional prèviament dissenyada i capaç d'exercir una funció nova, creant proteïnes inexistents a la natura, de manera que podem crear les micromàquines capaces d'exercir aquesta funció: per exemple, podem sintetitzar nous fàrmacs, curar malalties fins ara incurables, modificar fàcilment les característiques dels éssers vius, per, com a exemple, crear carbassons vermells o peix amb textura i gust de pollastre. Fins i tot ampliar les capacitats de l'ésser humà, de manera que el cos produeixi la seva pròpia vitamina C i ja no sigui necessària a la dieta, com passa a la majoria d'animals, o puguem “veure”, per exemple, la calor dels objectes, tal com fan les serps o els mosquits per reconèixer les preses, percebre les olors com fa un gos, o posseïr la força d'un goril·la…

En el vídeo explican quins aliments són els més rics en proteïnes (ous, llet, carn, peix, llegums i els seus derivats, com el formatge, el tofu…) i com estan formades les proteïnes.