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So knackt die DeepMind-KI ein 50 Jahre altes Problem der Proteinfaltung
5. Dezember 2020 | Allgemein | Autarkie | Freies Leben | Gesundheit | Ernährung | Medizin | Natur | Umwelt | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events
Das Programm löst wissenschaftliches Problem in ‚atemberaubendem Tempo‘ zum Verständnis der Lebensmechanismen.
Die Künstliche Intelligenz-Gruppe DeepMind, die durch ihre übermenschlichen Leistungen im Bereich der Spiele berühmt geworden ist, hat ein ernstes wissenschaftliches Problem geknackt, das die Forscher seit einem halben Jahrhundert ratlos machte.
Mit seinem jüngsten KI-Programm AlphaFold hat das Unternehmen und Forschungslabor gezeigt, dass es vorhersagen kann, wie sich Proteine zu 3D-Formen falten, ein unvorstellbar komplexer Prozess, der für das Verständnis der biologischen Maschinerie des Lebens von grundlegender Bedeutung ist.
Unabhängige Wissenschaftler sagten, dass der Durchbruch den Forschern helfen würde, die Mechanismen, die einige Krankheiten antreiben, zu analysieren und den Weg für Designer-Medikamente, nahrhaftere Nutzpflanzen und „grüne Enzyme“ zu ebnen, die Plastikverschmutzung abbauen können.
DeepMind sagte, es habe die Arbeit mit einer Handvoll wissenschaftlicher Gruppen begonnen und werde sich zunächst auf Malaria, Schlafkrankheit und Leishmaniose, eine parasitäre Krankheit, konzentrieren.
„Dies ist ein aufregender Moment für dieses Gebiet“, sagte Demis Hassabis, der Gründer und Geschäftsführer von DeepMind. „Diese Algorithmen werden nun reif genug und leistungsfähig genug, um auf wirklich anspruchsvolle wissenschaftliche Probleme anwendbar zu sein“.
Venki Ramakrishnan, der Präsident der Royal Society, bezeichnete die Arbeit als „einen erstaunlichen Fortschritt“, der sich „Jahrzehnte, bevor viele Leute auf diesem Gebiet es vorausgesagt hätten“, eingestellt habe.
DeepMind ist am besten bekannt für seine Reihe von menschlichen Suchprogrammen, die die Vorherrschaft im Schach, Go, Starcraft II und Atari-Klassikern der alten Schule erlangten. Aber übermenschliches Gameplay war nie das Hauptziel. Stattdessen boten die Spiele einen Übungsplatz für Programme, die, wenn sie einmal stark genug waren, auf Probleme der realen Welt losgelassen wurden.
Die Proteinfaltung ist seit 50 Jahren eine große Herausforderung in der Biologie. Als arkane Form des molekularen Origami ist ihre Bedeutung nicht zu unterschätzen. Die meisten biologischen Prozesse drehen sich um Proteine, und die Form eines Proteins bestimmt dessen Funktion. Wenn Forscher wissen, wie sich ein Protein formt, können sie beginnen, herauszufinden, was es tut. Wie Insulin den Zuckerspiegel im Blut kontrolliert und wie Antikörper das Coronavirus bekämpfen, hängt von der Proteinstruktur ab.
Wissenschaftler haben mehr als 200 Millionen Proteine identifiziert, aber die Strukturen sind nur für einen Bruchteil von ihnen bekannt. Traditionell werden die Formen durch akribische Laborarbeit entdeckt, die Jahre dauern kann. Und während die Informatiker bei diesem Problem Fortschritte gemacht haben, ist es keine leichte Aufgabe, die Struktur aus dem Aufbau eines Proteins abzuleiten. Proteine sind Ketten von Aminosäuren, die sich zu einer verblüffenden Vielfalt von Formen drehen und biegen können: ein Googol in Würfelform, oder 1 gefolgt von 300 Nullen.
Um zu erfahren, wie sich Proteine formen, trainierten Forscher von DeepMind ihren Algorithmus an einer öffentlichen Datenbank, die etwa 170.000 Proteinsequenzen und ihre Formen enthält. Das Training dauerte einige Wochen und lief auf 100 bis 200 Grafikverarbeitungseinheiten – nach modernen Standards eine bescheidene Menge an Rechenleistung.
DeepMind testete AlphaFold auf Herz und Nieren, indem es das Programm für eine alle zwei Jahre stattfindende „Protein-Olympiade“ namens Casp, die kritische Bewertung der Proteinstrukturvorhersage, anmeldete. Die Teilnehmer des internationalen Wettbewerbs erhalten die Aminosäuresequenzen für etwa 100 Proteine und werden aufgefordert, diese auszuarbeiten. Die Ergebnisse von Teams, die mit Computern arbeiten, werden mit denen aus der Laborarbeit verglichen.
AlphaFold übertraf nicht nur andere Computerprogramme, sondern erreichte auch eine Genauigkeit, die mit den mühsamen und zeitraubenden laborbasierten Methoden gleichzusetzen ist. Bei der Rangfolge aller analysierten Proteine hatte AlphaFold einen Durchschnittswert von 92,5 von 100, wobei 90 den experimentellen Methoden entsprach. Bei den härtesten Proteinen fiel der Mittelwert, aber nur geringfügig auf 87.
Hassabis sagte, DeepMind habe mit der Arbeit begonnen, Forschern Zugang zur AlphaFold zu verschaffen, um sie bei der wissenschaftlichen Forschung zu unterstützen. Andrei Lupas, der Direktor des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen, sagte, er habe das Programm bereits genutzt, um eine Proteinstruktur zu entschlüsseln, an der die Wissenschaftler seit einem Jahrzehnt festhingen.
Janet Thornton, eine emeritierte Direktorin des Europäischen Bioinformatik-Instituts des EMBL in der Nähe von Cambridge, die an der Arbeit nicht beteiligt war, sagte, sie sei gespannt auf die Ergebnisse. „Dies ist ein Problem, von dem ich anfangs dachte, es würde zu meinen Lebzeiten nicht gelöst werden“, sagte sie. „Die Kenntnis dieser Strukturen wird uns wirklich helfen, zu verstehen, wie Menschen existieren und funktionieren, wie wir arbeiten“, sagte sie.
John Jumper, ein Forscher im Team von DeepMind, sagte: „Wir wussten wirklich nicht, wie weit wir das Feld vorangetrieben hatten, bis wir die Casp-Ergebnisse sahen. Es ist jedoch nicht das Ende der Arbeit. Die künftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, wie sich Proteine zu größeren „Komplexen“ verbinden und wie sie mit anderen Molekülen in lebenden Organismen interagieren.
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Fit durch den Herbst und Winter:
Auch unsere Vorgänger konnten bis vor etwa sechs Millionen Jahren noch selbst Vitamin C im Körper herstellen. Durch eine Mutation ging diese Fähigkeit allerdings verloren. Man vermutet, dass es daran liegt, weil wir damals täglich über die frische Nahrung so viel Vitamin C aufgenommen haben, dass eine eigene Herstellung nicht mehr nötig war. So nahm der Steinzeitmensch durch seine Ernährung etwa 40-mal mehr Vitamin C zu sich als der Mensch heute. Womit die Natur allerdings nicht gerechnet hatte, ist unsere heutige nährstoffarme Ernährung. Und leider kann eine einmal verlorene Fähigkeit des Stoffwechsels nicht mehr wiedergewonnen werden.
Somit ist es immens wichtig das Allroundgenie Vitamin C täglich ausreichend zu sich zu nehmen. Und zwar nicht nur im Winter, sondern wirklich ganzjährig. Denn der Name „Allroundgenie“ ist Programm und belegt, dass das bekannteste Vitamin auch das am meisten unterschätzte ist. So spielt Vitamin C eben nicht nur eine wichtige Rolle bei der Unterstützung des Immunsystems im Winter, sondern es ist für rund 15000 Stoffwechselabläufe täglich unentbehrlich. hier klicken
Heute weiß man, dass Vitamin D bzw. D3 nicht nur zur Erhaltung normaler Knochen beiträgt, sondern auch für andere Funktionen wichtig ist, indem es nämlich auch zur Erhaltung normaler Zähne, zur Erhaltung einer normalen Muskelfunktion, zu einer normalen Aufnahme/Verwertung von Calcium und Phosphor sowie zu einem normalen Calciumspiegel beiträgt. Ferner trägt Vitamin D zu einer normalen Funktion unseres Immunsystems bei und hat eine Funktion bei der Zellteilung.
Was viele vielleicht nicht wissen, ist aber, dass Vitamin K bzw. Vitamin K2 zur Erhaltung normaler Knochen beiträgt. Damit das in der Nahrung aufgenommene Calcium korrekt transportiert und verwertet werden kann, benötigt unser Körper nämlich zwei wichtige Proteine, das sog. Matrix-Gla-Protein (MGP) und das Hormon Osteokalzin, die jeweils von Vitamin K2 aktiviert werden. Ohne Vitamin K2 bleiben diese körpereigenen Proteine inaktiv mit der Folge, dass dadurch nicht nur die Knochen im Laufe der Zeit langsam entkalken können, sondern dass das aufgenommene Calcium nutzlos ausgeschieden oder abgelagert wird, wodurch es langfristig sogar zu unliebsamen Verkalkungen im Körper kommen kann. Die Funktion von Vitamin K2 auf unsere Gesundheit ist daher nicht zu unterschätzen, weshalb auf eine ausreichende Versorgung unseres Körpers mit Vitamin K2 peinlichst geachtet werden sollte.
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