ワシントン大学のAIタンパク質フォールディングの発見がサイエンス誌の「今年のブレークスルー賞」を受賞
シャーロット・シューベルト著
サイエンス誌は、今年の画期的な成果として、ワシントン大学タンパク質設計研究所とアルファベット傘下のディープマインドの研究者らが開発した、タンパク質の折り畳み方を予測する人工知能の発見を発表した。
この国際学術誌は毎年、物理学、天文学、生物学など、幅広い分野におけるその年最大の発見に賞を授与しています。今年の受賞者となったワシントン大学の研究者たちは、「RoseTTAfold」と呼ばれるツールを開発しました。このツールは、タンパク質が3次元形状を形成する過程を予測する速度と精度で、物理学および生命科学分野の科学者を驚かせました。
「タンパク質の折り畳みにおけるこの画期的な進歩は、科学的成果と将来の研究を可能にすることの両方の点で、これまでで最も偉大なものの一つです」と、生化学者でサイエンス誌編集長のH・ホールデン・ソープ氏は論説で述べた。
研究者は伝統的に、代謝から細胞分裂まで、体の機能の多くにエネルギーを与えるタンパク質の形状を評価するために、時間のかかる実験室手法に頼ってきました。
科学者たちは何十年もの間、この問題の計算的解決法を模索してきました。しかし、その課題は困難を極めました。20個のアミノ酸の構成要素が紐に通されたビーズのように互いに噛み合うため、個々のタンパク質がどのように折り畳まれるかは無数に存在します。折り畳みは、タンパク質とその周囲の環境における複数の分子間相互作用に依存しており、これらの相互作用は折り畳みの過程で絶えず変化します。
IPDは7月にScience誌に掲載された論文で、この問題に対する解決策を発表しました。既知のタンパク質構造を学習させた研究者たちのディープラーニングツールは、これまで未知の数百種類のタンパク質のフォールディング構造を予測しました。これらのタンパク質には、がん細胞の増殖、炎症性疾患、その他の疾患に関連するタンパク質が含まれていました。DeepMindは同週にこのアプローチをNature誌に発表し、その手法を科学界に公開しました。
「今では、実験手法では解析が難しいサンプルの構造が得られるようになりました。しかも、実験的手法を導入する余裕のない研究室でも、構造が得られるようになりました。まさに、誰もがタンパク質構造を理解できる時代になったのです」とソープ氏は述べた。
IPD 研究の第一著者である計算化学者の Minkyung Baek 氏は、IPD 責任者の David Baker 氏の研究室の同僚や、ブリティッシュコロンビア州ビクトリア、南アフリカ、英国の研究機関の研究者と共同で RoseTTAFold の開発を主導しました。
「計算生物学と分子生物学のあらゆる分野が変革されるだろう」と、ベイカー氏はサイエンス誌の特集記事で述べた。この研究が生物学の理解と医薬品開発の加速に及ぼす計り知れない影響について解説した記事の中で、ベイカー氏はそう語った。新しい研究に対する控えめな評価で知られるサイエンス誌は、この画期的な成果について「生命の舞踏をかつて見たことのない視点で捉え、生物学と医学を永遠に変えるパノラマを提供する」と評した。
RoseTTAFoldとDeepMindのAlphaFoldは、既に産業界による新たな治療薬開発に活用されています。この分野のスタートアップ企業には、IPDからスピンアウトしたCyrus Biotechnologyがあり、同社は体内での安定性向上などの特性を持つ治療用タンパク質を設計することができます。シアトルに拠点を置く同社は、COVID-19に結合して不活化するように設計されたタンパク質ベースの治療薬を開発しており、他のプロジェクトでは90の産業界との提携を結んでいます。
IPDからスピンアウトした他の企業としては、シアトルに拠点を置き、抗がん治療用タンパク質をゼロから設計するNeoleukin Therapeutics、A-Alpha Bio、そして今年上場し、人工的に設計されたCOVID-19ワクチンの開発を進めているIcosavaxなどが挙げられる。11月には、アルファベットがDeepMindのタンパク質フォールディング研究を基盤として、創薬スタートアップ企業Isomorphic Labsを設立した。
「タンパク質の構造を知ることは、その機能、創薬、その他多くの応用を理解するための第一歩です」とベック氏はGeekWireに語った。
ベイカー研究室の科学者たちは、秋を通して新たな発見によって勢いを維持しました。11月には、IPDの研究者とその同僚が、体内で協調して作用する複数のタンパク質からなる大規模なタンパク質複合体の構造を解明しました。さらに、研究者たちは自然界には見られない新たなタンパク質の設計に取り組んでおり、これは特定の特性を持つ特注タンパク質の構築に向けた一歩です。
サイエンス誌は、今年の画期的成果の次点も発表した。
- 古代の土壌中の DNA を分析する技術。人類と動物の進化に関する新たな知見をもたらします。
- NASA のインサイト着陸船による火星の惑星核の構成に関する洞察。
- 核融合エネルギーの進歩は、反応に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを反応で生み出すという目標に着実に近づいています。サイエンス誌はまた、ブリティッシュコロンビア州のジェネラル・フュージョンのような民間核融合プロジェクトの発展にも注目しました。
- 2つの遺伝性疾患において体内の遺伝子を修正するためにCRISPR遺伝子編集を使用する。
- マウスの胚を母体外で 11 日間成長させる方法など、初期胚の発達を理解するための技術の進歩。
- メルク社とリッジバック・バイオセラピューティクス社が開発したモルヌピラビルや、現在米国食品医薬品局（FDA）が審査中のファイザー社の錠剤など、COVID-19抗ウイルス薬の開発。フレッド・ハッチンソンがん研究センターは、モルヌピラビルの臨床試験施設の一つであった。
- 精神疾患の治療におけるサイケデリック薬の評価。MDMAとシロシビンの初期臨床試験では、効果が期待できる兆候が見られました。ワシントン大学の医師アンソニー・バック氏も同様に、最近、医療従事者を対象としたシロシビンの臨床試験を開始しました。
- 素粒子物理学の進歩により、ミューオンと呼ばれる粒子は科学者が予想していたよりもわずかに磁性が強いことがわかり、新しい未知の亜原子粒子の存在を示唆しています。
- ヒト抗体をより迅速に設計・大量生産する技術の進歩により、モノクローナル抗体療法の台頭が進んでいます。グラクソ・スミスクラインとVir Biotechnologyのソトロビマブを含む3つのモノクローナル療法がCOVID-19に対する緊急使用許可を受けています。この治療法は、ワシントン大学などの研究機関が研究しているヒト抗体S309を基盤としています。
