DeepMindのAlphaFold2に匹敵するより高速で自由に利用できるタンパク質フォールディングモデルを研究者が開発

今回は「DeepMindのAlphaFold2に匹敵するより高速で自由に利用できるタンパク質フォールディングモデルを研究者が開発」についてご紹介します。

関連ワード (数分、数十年来、科学等) についても参考にしながら、ぜひ本記事について議論していってくださいね。

本記事は、TechCrunch様で掲載されている内容を参考にしておりますので、より詳しく内容を知りたい方は、ページ下の元記事リンクより参照ください。


2020年末、DeepMind(ディープマインド)は、同社のAIモデルAlphaFold2(アルファフォールド2)がタンパク質の構造を正確に予測(一般的で非常に難しい問題だ)することで生物学界を驚かせた。数十年来の問題を「解決できた」と多くの人が宣言したからだ。今回研究者たちは、このときDeepMindが世界を飛び越えてみせたように、今度はRoseTTAFold(ロゼッタフォールド)でDeepMindを飛び越えたと主張している。RoseTTAFoldは、わずかな計算コストでほぼ同じことを行うシステムだ(しかも無料で使用できる)。

AlphaFold2は、2020年11月に開催されたCASP14(タンパク質を構成するアミノ酸の配列から、その物理的構造[フォールディング]を予測するアルゴリズムを競う仮想イベント)で競合他社を圧倒し、業界の話題となった。DeepMindのモデルは、他のモデルをはるかに凌駕し、非常に高い信頼性のある精度を誇っていたため、この分野の多くの人たちが(半ば真剣に、そしてユーモアを持って)新しい分野への転身を口にしていた。

しかしDeepMindによるこのシステムの計画だけは、誰も満足させていないように思えた。その内容が網羅的かつオープンに記述されていなかったため、(Alphabet / Googleが所有する)DeepMindが、秘密のソースを多かれ少なかれ独り占めしようとしているのではないかと心配する人もいたのだ。もちろんそれは彼らの特権ではあるものの、科学の世界における相互扶助の精神にはやや反するものだと思われた。

【更新】ちょっとしたサプライズだが、DeepMindは米国時間7月15日に、手法に関するより詳細な内容を「Nature」誌に発表した。コードはGitHubで公開されている。このことにより、前述の懸念はかなり軽減されたものの、以下に説明した先進技術の内容にはまだ十分意味がある。記事の最後にはチームからのコメントも付けておいた。

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この懸念は、ワシントン大学のDavid Baker(デビッド・ベイカー)氏とMinkyung Baek(ミンギヨン・ベイ)氏を中心とする研究者が、最新の科学誌『Science』に発表した研究によって、少なくとも部分的には解消されたようだ。ベイカー氏は、ご存知の方もいると思うが、人工的に作られたタンパク質を用いて新型コロナウイルス(COVID-19)に対抗する研究でBreakthrough Prize(ブレイクスルー賞)を受賞したばかりだ。

研究チームが開発した新モデルRoseTTAFold(AlphaFold2の手法を参考にしたとベイカー氏がメールで率直に答えている)は、AlphaFold2に匹敵する精度で予測を行うことができる。

ベイカー氏は「AlphaFold2グループは、CASP14ミーティングでいくつかの新しいハイレベルなコンセプトを発表しました。そうしたアイデアからスタートし、グループの仲間と一緒にブレインストーミングを重ねたことで、ミンギョンはわずかな時間で驚くほどの成果を上げることができました」と語った(「彼女は本当にすごいよ!」と彼は付け加えた)。

予測されたタンパク質の構造とその正解の例。90点以上は非常に良いとされている(画像クレジット:UW/Baek他)

ベイカー氏のグループはCASP14では2位という立派な成績を収めたが、DeepMindの手法が一般的なレベルで説明されたものだとしても、彼らの手法と競合するものであることに気が付いた。彼らは、(1)アミノ酸の配列、(2)残基間の距離、(3)空間上の座標を同時に考慮する「3トラック」ニューラルネットワークを開発した。その実装は非常に複雑で、この記事では紹介しきれないが、結果として、ほぼ同じ精度レベルを達成したモデルとなった。繰り返しになるが、1年前にはまったく存在しなかったレベルだ。

さらにRoseTTAFoldは、このレベルの精度をより速く、つまり、より少ない計算量で達成する。

DeepMindは、個々の予測を行うために複数のGPUを何日もかけて使用したと報告していますが、私たちの予測手法は、サーバーの利用と似たやり方で、ネットワークを介して1回のパスで行われます【略】RoseTTAFoldのエンド・ツー・エンドバージョンでは、400残基未満のタンパク質のバックボーン座標を計算するのに、RTX2080 GPUで10分以内で収まります。

聞こえただろうか?これは何千人もの微生物学者が安堵のため息をつき、スーパーコンピューターの利用を申請するメールの下書きを捨てた音だ。現在、2080を手に入れるのは容易ではないかもしれないが、重要な点はハイエンドのデスクトップGPUがあれば、ハイエンドクラスターを数日間稼働させることなく、数分でこのタスクを実行できるということだ。

RoseTTAFoldは要件が控えめなため、AlphaFold2では考えられなかったような、パブリックなホスティングや分散にも適している。

ベイカー氏は「私たちは、誰もがタンパク質の配列を投稿して、構造を予測できる公開サーバーを用意しています」と語る。「数週間前にサーバーを立ち上げてから、4500件以上の投稿がありました。また、ソースコードも自由に利用できるようにしています」。

これは非常にニッチな問題に見えるかもしれないが、タンパク質の折り畳みは歴史的に見ても生物学で最も困難な問題の1つであり、その解決のために数え切れないほどの時間がハイパフォーマンスコンピューティングに費やされてきた。タンパク質の構造を予測するために、人々が自分のコンピュータサイクルを寄付する分散コンピューティングアプリFolding@Homeが話題になったことを憶えている人もいるだろう。1000台のコンピューターで解決に数日から数週間かかっていたような問題(基本的に力任せに解を作り出し検証する)でも、今ではデスクトップ1台で数分で解決できるようになった。

タンパク質の物理的構造は、生物学の中でも最も大切なものだ。なぜなら、私たちの体の中で大部分の仕事をしているのはタンパク質であり、治療のために変更したり、抑制したり、強化したりしなければならないのもタンパク質だからだ。しかし、そのためにはまずタンパク質を理解する必要があるのだが、2020年の11月まではその理解を計算機を使って確実に行うことはできなかったのだ。CASP14ではそれが計算可能であることが証明され、そして今回それが広く利用できるようになったのだ。

だが残念ながらこれらは、タンパク質フォールディングの問題を解決するための「ソリューション」そのものではない。もちろん今回、中立的な状態で静止しているタンパク質のほとんどの構造を予測することができるようになり、複数の領域に大きな影響を与えるようにはなったものの、タンパク質が「中立的な状態で静止している」ことはほとんどない。他の分子をつかんだり離したり、ゲートを通して他のタンパク質をブロックしたりすり抜けさせたり、とにかくあらゆることをするために、タンパク質自身がひねったりねじったりされるのだ。こうした相互作用は、数が莫大で、複雑で、予測するのが難しく、AlphaFold2もRoseTTAFoldもそれを計算することはできない。

ベイカー氏は「この先、たくさんのエキサイティングなテーマが待ち受けています【略】物語は始まったばかりなのです」という。

DeepMindの論文について、ベイカー氏は大学人の仲間意識から次のようにコメントしている。

読んでみて、すばらしい業績を描いたすてきな論文だと思いました。

このDeepMindの論文は、私たちの論文をきれいに補完するものであり、私たちの研究が彼らの進歩に基づいていることを考えると、私たちの論文より前に発表されたのは適切なことだと思います。

読者のみなさまには、両論文を楽しんでいただけると思います。2つは重複するものではありません。私たちが論文で指摘しているように、彼らの手法は私たちの手法よりも精度が高く、その差の原因が彼らの手法のどのような特徴にあるのかを知ることは、非常に興味深いところです。私たちはすでに、RoseTTAFoldをタンパク質の設計やより体系的なタンパク質複合体の構造予測に使用していますが、DeepMindの論文から得られたアイデアを取り入れることで、従来の一本鎖のモデリングとともに、これらを急速に改善できると期待しています。

もし科学とその潜在的な影響について興味があるならば、CASP14におけるAlphaFold2のパフォーマンスを受けて書かれた、方法とあり得る次のステップについての、より詳細で技術的な説明を読んでみるとよいだろう。

画像クレジット:Ian Haydon, UW Medicine Institute for Protein Design


【原文】

DeepMind stunned the biology world late last year when its AlphaFold2 AI model predicted the structure of proteins (a common and very difficult problem) so accurately that many declared the decades-old problem “solved.” Now researchers claim to have leapfrogged DeepMind the way DeepMind leapfrogged the rest of the world, with RoseTTAFold, a system that does nearly the same thing at a fraction of the computational cost. (Oh, and it’s free to use.)

AlphaFold2 has been the talk of the industry since November, when it blew away the competition at CASP14, a virtual competition between algorithms built to predict the physical structure of a protein given the sequence of amino acids that make it up. The model from DeepMind was so far ahead of the others, so highly and reliably accurate, that many in the field have talked (half-seriously and in good humor) about moving on to a new field.

But one aspect that seemed to satisfy no one was DeepMind’s plans for the system. It was not exhaustively and openly described, and some worried that the company (which is owned by Alphabet/Google) was planning on more or less keeping the secret sauce to themselves — which would be their prerogative but also somewhat against the ethos of mutual aid in the scientific world.

Update: In something of a surprise, DeepMind published more detailed methods in the journal Nature today. The code is available on GitHub. This does considerably lessen the aforementioned concern, but the advance described below is still highly relevant. I’ve also added a comment from that team at the bottom of the article.

That concern seems to have been at least partly mooted by work from University of Washington researchers led by David Baker and Minkyung Baek, published in the latest issue of the journal Science. Baker, you may remember, recently won a Breakthrough Prize for his team’s work combating COVID-19 with engineered proteins.

The team’s new model, RoseTTAFold, makes predictions at similar accuracy levels using methods that Baker, responding to questions via email, candidly admitted were inspired by those used by AlphaFold2.

“The AlphaFold2 group presented several new high-level concepts at the CASP14 meeting. Starting from these ideas, and with a lot of collective brainstorming with colleagues in the group, Minkyung has been able to make amazing progress in very little time,” he said. (“She is amazing!” he added.)

Examples of predicted protein structures and their ground truths. A score above 90 is considered extremely good. Image Credits: UW/Baek et al

Baker’s group more or less placed second at CASP14, no mean feat, but hearing DeepMind’s methods described even generally set them on a collision course. They developed a “three-track” neural network that simultaneously considered the amino acid sequence (one dimension), distances between residues (two dimensions) and coordinates in space (three dimensions). The implementation is beyond complex and far outside the scope of this article, but the result is a model that achieves almost the same accuracy levels — levels, it bears repeating, that were completely unprecedented less than a year ago.

What’s more, RoseTTAFold accomplishes this level of accuracy far more quickly — that is, using less computation power. As the paper puts it:

DeepMind reported using several GPUs for days to make individual predictions, whereas our predictions are made in a single pass through the network in the same manner that would be used for a server…the end-to-end version of RoseTTAFold requires ~10 min on an RTX2080 GPU to generate backbone coordinates for proteins with less than 400 residues.

Hear that? It’s the sound of thousands of microbiologists sighing in relief and discarding drafts of emails asking for supercomputer time. It may not be easy to lay one’s hands on a 2080 these days, but the point is any high-end desktop GPU can perform this task in minutes, instead of requiring a high-end cluster running for days.

The modest requirements make RoseTTAFold suitable for public hosting and distribution as well, something that might never have been in the cards for AlphaFold2.

“We have a public server that anyone can submit protein sequences to and have the structures predicted,” Baker said. “There have been over 4,500 submissions since we put the server up a few weeks ago. We have also made the source code freely available.”

This may seem very niche, and it is, but protein folding has historically been one of the toughest problems in biology and one toward which countless hours of high-performance computing have been dedicated. You may recall Folding@Home, the popular distributed computing app that let people donate their computing cycles to attempting to predict protein structures. The kind of problem that might have taken a thousand computers days or weeks to do — essentially by brute-forcing solutions and checking for fit — now can be done in minutes on a single desktop.

The physical structure of proteins is of utmost importance in biology, as it is proteins that do the vast majority of tasks in our bodies, and proteins that must be modified, suppressed, enhanced and so on for therapeutic reasons; first, however, they need to be understood, and until November that understanding could not be reliably achieved computationally. At CASP14 it was proven to be possible, and now it has been made widely available.

It is not, by a long shot, a “solution” to the problem of protein folding, though the sentiment has been expressed. Most proteins at rest in neutral conditions can now have their structure predicted, and that has huge repercussions in multiple domains, but proteins are seldom found “at rest in neutral conditions.” They twist and contort to grab or release other molecules, to block or slip through gates and other proteins, and generally to do everything they do. These interactions are far more numerous, complex and difficult to predict, and neither AlphaFold2 nor RoseTTAFold can do so.

“There are many exciting chapters ahead… the story is just beginning,” said Baker.

Regarding the DeepMind paper, Baker offered the following comment in the spirit of collegiate camaraderie:

I’ve read through, and think this is a beautiful paper describing fantastic work.

The DeepMind paper is actually very complementary to our paper, and I think it is appropriate that it is not coming out after ours, as our work is really based on their advances.

I think that readers will enjoy reading both papers — they are very far from being duplicative. As we point out in our paper, their method is more accurate than ours, and now it will be very interesting to see what features of their approach are responsible for the remaining differences. We are already using RoseTTAFold for protein design and more systematic protein-protein complex structure prediction, and we are excited about rapidly improving these, along with traditional single chain modeling, by incorporating ideas from the DeepMind paper.

If you’re curious about the science and the potential repercussions, consider reading this much more detailed and technical account of the methods and possible next steps written in the wake of AlphaFold2’s CASP14 performance.

(文:Devin Coldewey、翻訳:sako)

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数读7月15日全球疫情:全球日增确诊超54万例 累计逾1.89亿例 48国致函世卫反对溯源政治化. 海外网7月16日电 根据Worldometer实时统计数据,截至北京时间7月16日6时30分左右,全球累计确诊新冠肺炎病例189653603例,累计死亡病例4081687例。. 全球单日新增确诊病例547191 ...

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3月25日上午10点15分,李信岩和武汉汽阀配件厂的民兵熊继国,在武汉黄孝河岸上的岱山桥头检查站外的公路上值班。他俩看见一个骑着辆旧自行车的男人,鬼鬼祟祟地从市区方向向检查站驶来。

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2021年冀教版一年级4.1 2—6各数的合成课件-莲山课件

冀教版数学一年级上册2—6各数的合成课前导入探究新知课堂小结课后作业合与分课堂练习4课前导入1小朋友,把四朵向日葵放到两个竹篮里,有几种放法?32231444八五折探究新知做一做(1)拿出2个蓝色花片和2个红色花片,合起来有几个花片?合起来是4个。做一做你还知道几和几可以合成5吗?(2)拿出两种颜色的花片,使它们合起来是5个。4个蓝的和1个红的……3个蓝的和2个红的……41321423做一做324

出店数No.1セルフエステBODY ARCHI(ボディアーキ) 2021年8月16日 品川港南口店オープン 品川駅 ...

株式会社ボディアーキ・ジャパン(東京都渋谷区、代表取締役社長:荒井 千詠)が運営する額制セルフエステBODY ARCHIは、35店舗目となるBODY ARCHI品川港南口店を2021年8月16日(月)にオープンいたしますので、お知らせいたします。 画像1: https://www.atpress.ne.jp/relea...

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