Nobel z chemii za stworzenie nowych białek i przewidywanie struktury białek

Nagroda Nobla z dziedziny chemii A.D. 2024 przypadnie trzem badaczom za dwa odkrycia. David Baker otrzyma to najważniejsze naukowe wyróżnienie za projektowanie białek z wykorzystaniem metod obliczeniowych, natomiast  Demis Hassabis i John M. Jumper za przewidywanie struktury białek. To nie tylko wyróżnienie w dziedzinie badań nad białkami, ale również kolejny, po tegorocznej Nagrodzie Nobla z fizyki ukłon w stronę wykorzystania i współtworzenia sztucznej inteligencji. Dlaczego?

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2024 dotyczy białek, bez których powstanie życia nie byłoby możliwe. Pierwszy z laureatów - David Baker - został nagrodzony za stworzenie od podstaw zupełnie nowego białka. Baker zaprojektował swoje białko wykorzystując metody obliczeniowe. Białka składają się zazwyczaj z różnych aminokwasów. Baker wykorzystał je, by stworzyć zupełnie nowe białko. A następnie kolejne i kolejne. Ich odkrycia mogą być wykorzystywane bezpośrednio m.in. przy produkcji leków czy szczepionek, ale także przy konstruowaniu... mikroczujników. 

Hassabis i Jumper, opracowali i w 2020 r. zaprezentowali model sztucznej inteligencji Alpha Fold, który potrafi przewidywać strukturę i zachowanie niemal wszystkich rozpoznanych przez świat nauki białek. To niezwykłe narzędzie bardzo szybko zostało wprzęgnięte w liczne badania na całym świecie - dotąd użyto je blisko 2 miliony razy. Narzędzie to pozwala na określenie trójwymiarowego kształtu białka na podstawie jego sekwencji aminokwasów. To bardzo ważne i bardzo trudne zadanie. Trudne, bo struktura białka składa się z sekwencji kilkudziesięciu, a czasem i kilkuset różnych aminokwasów, więc możliwych kombinacji jest bardzo dużo. Sposób składania białka jest determinowany przez jego sekwencję aminokwasów. Jednak nawet małe białko składające się tylko ze 100 aminokwasów może mieć 10  do potęgi 47. możliwych struktur trójwymiarowych. 

To jednak zagadnienie ważne, bo właśnie ta struktura determinuje funkcje, jakie pełni dane białko. 

Dzięki temu radyklanie przyspieszyć mogą badania nad tworzeniem nowych leków czy zrozumienie antybiotykooporności niektórych bakterii. Ale także opracowanie różnego rodzaju nowych enzymów, na przykład takich, które pozwolą przyspieszyć rozkładanie trudno rozkładalnych odpadów. 

Kim są tegoroczni laureaci chemicznego Nobla? 

David Baker ma 62 lata. To amerykański biolog urodzony w 1962 r. w Seattle. Co ciekawe, jego kariera w naukach przyrodniczych nie była oczywista. Jako student uczęszczał na Uniwersytet Harvarda, gdzie studiował filozofię i nauki społeczne. Przeniósł się na biologię dopiero na ostatnim roku studiów. Po Harvardzie podjął studia a biochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, gdzie w 1989 r. uzyskał tytuł doktora. W swoich wczesnych projektach prowadził badania nad białkami w drożdżach. Cztery lata później, w 1993 r. przeniósł się na Wschodnie Wybrzeże USA, gdzie podjął pracę na Uniwersytecie w Waszyngtonie. Tam zajął się analizowaniem struktury białek i to te prace doprowadziły go ostatecznie do opracowania Rosetty, rewolucyjnej platformy obliczeniowej do przewidywania i projektowania struktur białek, która pozwala na projektowanie białek o pożądanych przez projektującego funkcjach. Właśnie te osiągnięcie zostało uhonorowane tegorocznym Noblem.

Demis Hassabis to Brytyjczyk urodzony i wychowany w północnym Londynie jako najstarszy syn małżeństwa imigrantów:  ojciec ma pochodzenie grecko-cypryjskie, a matka chińsko-singapurskie. Demis od najmłodszych lat lubi gry i zabawy opierające się na logice. Grając w szachy od czwartego roku życia, uzyskał tytuł mistrza szachowego w wieku 13 lat. Szybko zainteresował się również programowaniem i projektowaniem gier - zarówno komputerowych jak i planszowych. Jednak to nie za te zainteresowania nagrodzono go Nagrodą Nobla. 

Już w wieku 17 lat podjął pracę jako programista, równocześnie studiując informatykę na Uniwersytecie w Cambridge. Doktoryzował się na University College London, jednocześnie odbywając staże na renomowanych amerykańskich uczelniach: Harvardzie i Massachusetts Institute of Technology (MIT). Jednak przełomem w jego karierze było współzałożenie w 2011 r. firmy DeepMind, która zajmowała się rozwijaniem sztucznej inteligencji w oparciu o proces głębokiego uczenia. Firma opracowała kilka modeli Sztucznej Inteligencji o różnego rodzaju zastosowaniach - głównie w sektorze gier. Jednak tym, co doprowadziło Hassabisa do Nobla było opracowanie AI przewidującej struktury białek o nazwie AlphaFold..

Hassabis podzieli się Noblem z Johnem M. Jumperem - urodzonym w 1985 r. w amerykańskim stanie Arkansas informatykiem, który studia kończył na Uniwersytecie Vanderbildt, a następnie kształcił się przez kolejne trzy lata w Cambridge, gdzie ukończył studia z fizyki. Następnie wrócił do Stanów Zjednoczonych, gdzie związał swoją karierę z Uniwersytetem w Chicago. W 2017 r. dołaczył do DeepMind, gdzie razem z Hassabisem pracował nad wspomnianym projektem AlphaFold.

Jumper i CEO DeepMind Hassabis oraz ich współpracownicy użyli AlphaFold2 do obliczenia struktury niemal wszystkich z ponad 50 000 ludzkich białek w 2021 r. Następnie poszli jeszcze dalej i obliczyli struktury niemal wszystkich 200 milionów znanych białek, które pochodzą z około 1 miliona różnych gatunków, lub jak nazwał to Hassabis, „całego wszechświata białek”. Przewidując, w jaki sposób białka się organizują, naukowcy mogą opracowywać skuteczniejsze leki, które są ukierunkowane na określone białka, których struktury przyczyniają się do chorób. Od 2023 r. Jumper jest dyrektorem Google DeepMind.

Nagrody Nobla

Nagrody Nobla są przyznawane od początku XX wieku jako realizacja testamentu szwedzkiego wynalazcy i przemysłowca Alfreda Nobla. Ta najbardziej prestiżowa nagroda w świecie nauki i literatury początkowo była przyznawana w pięciu dziedzinach: fizyki, chemii, medycyny i fizjologii, literatury i za osiągnięcia na rzecz krzewienia pokoju. Po ponad pół wieku, w latach 60. XX w., postanowiono przyznawać też nagrodę Banku Szwecji, nazywaną potocznie Noblem z ekonomii.

Noble co roku budzą spore emocje, bo ci, którzy zostają nimi wyróżnieni, na trwałe zapisują się w historii nauki i literatury. Dla zatrudniających ich uczelni to powód do dumy i skoku w rankingach najlepszych uniwersytetów świata, a dla samych laureatów, poza sławą i uznaniem, także solidny zastrzyk finansowy – na konto nagrodzonego trafia równowartość blisko 4,5 mln zł (w przypadku kilku laureatów do równego podziału).

Przed rokiem, w 2023 r. Nobla z chemii również przyznano trzem badaczom. Laureatami zostali: Moungi Bawendi, Louis Brus i Aleksiej Ekimow. Naukowcy ci zostali nagrodzeni za opracowanie metody syntezy nanocząsteczek nazywanych kropkami kwantowymi. Kropki kwantowe to cząsteczki tak małe, że ich zachowanie opisujemy już nie według zasad mechaniki klasycznej, ale w oparciu o mechanikę kwantową. Bardzo długo uważano je za istniejące jedynie w teorii. Odkrycia dokonane przez Ekimowa, Brusa i Bawendiego już dziś znajdują praktyczne zastosowanie w życiu codziennym. Korzystamy z nich, używając urządzeń z wyświetlaczami z technologią Q-LED.