50年前からの生物学の超難問にDeepMindの開発した「AlphaFold」がAIのパワーで道筋を示し研究が加速

全ての生物学的プロセスはタンパク質を中心に展開していますが、3次元的な立体構造を持つタンパク質が、実際にどのような形状を持っているのかということは、この50年間ほとんど解き明かされてきませんでした。「タンパク質の立体構造を理解することは病気の治療・新薬の開発・環境問題の解決にとってブレイクスルーになるはず」と科学者の多くが取り掛かってきたこの「フォールディング問題」を、Google傘下の人工知能企業DeepMindが解決したと発表しました。

AlphaFold: a solution to a 50-year-old grand challenge in biology | DeepMind
https://deepmind.com/blog/article/alphafold-a-solution-to-a-50-year-old-grand-challenge-in-biology

AlphaFold | DeepMind
https://deepmind.com/research/case-studies/alphafold

‘It will change everything’: DeepMind’s AI makes gigantic leap in solving protein structures
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03348-4

タンパク質のフォールディング問題とは何か、そしてDeepMindが何を解決したのかは、以下のムービーを見るとよくわかります。

Protein folding explained - YouTube


人の体の中では何十億もの「マシン」、つまり「タンパク質」が常に働いています。

タンパク質は血液を運んだり、目が光を検知できるようにしたり、筋肉を動かしたりしています。

タンパク質は全ての生物の全ての生物学的プロセスに関わり……

それぞれが、その機能や役割に応じた3次元的な立体構造を持っています。

しかし、人は2億を超えるタンパク質を発見していますが、その立体構造が特定されているものは、わずか一握りです。

立体であるタンパク質をほぐすと、20種類のアミノ酸の「ビーズ」に糸を通したもののようになります。

アミノ酸が互いに干渉することでタンパク質を立体構造にするため、科学者はアミノ酸から「どのようなタンパク質の立体構造ができるか」ということを予測しようとしてきました。これが何十年も科学者が取り掛かってきたタンパク質のフォールディング問題です。

この問題を解決するためにDeepMindによって開発されたシステムが「AlphaFold」

AlphaFoldはこれまでに特定された何十万というタンパク質の立体構造のデータから学習を行いました。アルゴリズムが大量のデータから学習することにより、アミノ酸の糸からタンパク質の立体構造が高精度で予測できるようになったとのこと。

AlphaFoldの予測はさまざまな分野で役立てられるとDeepMindは予測しています。病気の原因の予測や薬の開発が迅速に行えることはもちろん……

プラスチックの分解を行う酵素を特定し、プラスチック汚染の問題解決に役立つことも考えられます。

また大気から温室効果ガスである二酸化炭素を取り除くヒントにもなるとのこと。

一言でいうと、科学者が自然界をより理解するために、フォールディング問題の解決が大きく役立つわけです。

多くの科学者がフォールディング問題の解決が「数十年後ではないにしても、少なくとも数年後である」と考えていましたが、DeepMindは複数のタンパク質のフォールディング問題を、物理実験に匹敵する精度で解決したと述べています。

フォールディング問題については、2年に1度「国際タンパク質構造予測コンテスト」(CASP)が実施され、科学者が考案した構造予測の評価が行われいます。2020年のCASPの一環としてDeepMindのテクノロジーが評価されたところ、他のコンピュータープログラムを上回っただけでなく、面倒で時間のかかるラボベースの方法に匹敵する精度を記録。ラボベースの予測は100点満点中90点の評価ですが、AlphaFoldのスコアの中央値は100点満点中92.5点を記録しています。

CASPを実施するメリーランド大学のメリーランド大学のジョン・モールト教授は、「私は生きてこの日を迎えることを、いつも夢見てきました」とコメントしています。

フォールディング問題の解決は新薬の開発に大きく役立つとみられていますが、技術が確立された時期が遅かったことから、新型コロナウイルス感染症(COVID-19)のパンデミックに大きな影響を与えるとは考えられていません。一方で、将来的に起こる可能性がある次のパンデミックや、アルツハイマー病といった遺伝的疾患の理解に役立つと考えている研究者もいます。

また、タンパク質の立体構造を理解するというAlphaFoldの技術は、科学者が病気を特定して新薬を開発するための長いプロセスのごく一部にしか影響を与えないという意見もあり、DeepMindが技術をどのように研究者らと共有していくかが不明であることからも、今後の科学に与える影響はまだはっきりとしていないようです。

DeepMindはこれまでに囲碁AI「AlphaGo」を開発している「研究所」であり、その立場から、他の研究所や企業に直接製品を販売することは考えていないとのこと。DeepMindの最高経営責任者兼共同創設者であるデミス・ハサビス氏によると、AlphaFoldの技術の詳細を発表する予定だとしていますが、発表は2021年になる見込み。またハサビス氏は他の科学者と技術を共有する方法を模索しているとも述べました。