Искусственный интеллект дает беспрецедентное понимание того, как работают биомолекулы

Новый аналитический метод может дать недостижимое до сих пор понимание чрезвычайно быстрой динамики биомолекул. Команда разработчиков во главе с Аббасом Уурмаздом из Университета Висконсин и Робин Сантрой из DESY представила умное сочетание квантовой физики и молекулярной биологии. Ученые использовали свою новую технику для того, чтобы отследить, каким образом фотоактивный белок желтого цвета (PYP) претерпевает изменения в своей структуре менее чем за триллионную долю секунды после возбуждения светом.

«Чтобы точно понять биохимические процессы в природе, такие как фотосинтез у определенных бактерий, важно знать подробную последовательность событий», — объясняет Робин Сантра. «Когда свет попадает на фотоактивные белки, их пространственная структура изменяется, и это структурное изменение определяет, какую роль белок играет в природе».

Однако до сих пор было почти невозможно отследить точную последовательность, в которой происходят структурные изменения. Теоретически можно определить и интерпретировать только начальное и конечное состояния молекулы до и после реакции.  Но мы не знаем точно, как энергия и форма меняются между ними.

Но узнать это с молекулами не так просто. Энергетическое состояние молекулы можно определить с большой точностью с помощью спектроскопии; и яркие рентгеновские лучи, например, от рентгеновского лазера, могут быть использованы для анализа формы молекулы. Чрезвычайно короткая длина волны рентгеновских лучей означает, что они могут разрешать очень маленькие пространственные структуры, такие как положения атомов в молекуле. Однако в результате получается не изображение, подобное фотографии, а характерный интерференционный узор, который можно использовать для определения пространственной структуры, которая его создала.

Яркие и короткие рентгеновские вспышки

Поскольку на молекулярном уровне движения очень быстрые, ученым приходится использовать чрезвычайно короткие импульсы рентгеновского излучения, чтобы изображение не было размытым. Только с появлением рентгеновских лазеров стало возможным получать достаточно яркие и короткие рентгеновские импульсы, чтобы уловить эту динамику.

Однако, поскольку молекулярная динамика имеет место в области квантовой физики, где законы физики отклоняются от нашего повседневного опыта, измерения можно интерпретировать только с помощью квантово-физического анализа.

Необходимо учитывать особенность фотоактивных белков: падающий свет возбуждает их электронную оболочку, чтобы перейти в более высокое квантовое состояние, и это вызывает первоначальное изменение формы молекулы. Это изменение формы, в свою очередь, может привести к перекрытию возбужденного и основного квантовых состояний.

В результате квантового скачка возбужденное состояние возвращается в основное состояние, в результате чего форма молекулы остается неизменной. Следовательно, коническое пересечение квантовых состояний открывает путь к новой пространственной структуре белка в основном квантовом состоянии.

Теперь ученым впервые удалось разгадать структурную динамику фотоактивного белка на таком коническом пересечении. Они сделали это, опираясь на машинное обучение, потому что полное описание динамики фактически потребовало бы рассмотрения всех возможных движений всех задействованных частиц. Это быстро приводит к неуправляемым уравнениям, которые невозможно решить.

6000 измерений

«Изученный нами фотоактивный белок желтого цвета состоит примерно из 2000 атомов», — объясняют ученые. «Поскольку каждый атом в основном свободен двигаться во всех трех пространственных измерениях, существует в общей сложности 6000 вариантов движения. Это приводит к квантово-механическому уравнению с 6000 измерениями, которое сегодня не могут решить даже самые мощные компьютеры».

Однако компьютерный анализ, основанный на машинном обучении, позволил выявить закономерности коллективного движения атомов в сложной молекуле. «Мы смотрим не на каждый атом по отдельности, а на их коллективное движение», — говорит Робин Сантра.  Используя эту технику, компьютер смог уменьшить приблизительно 6000 измерений до четырех. Продемонстрировав этот новый метод, ученые также смогли впервые охарактеризовать коническое пересечение квантовых состояний в сложной молекуле, состоящей из тысяч атомов.

Подробный расчет показывает, как коническое пересечение образуется в четырехмерном пространстве и как фотоактивный желтый белок опускается через него обратно в исходное состояние после возбуждения светом. Теперь ученые могут описать этот процесс с шагом в несколько десятков фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) и, таким образом, углубить понимание фотоактивных процессов.