所有生命分子皆可AI預(yù)測(cè)！AlphaFold3來(lái)了，全球科學(xué)家免費(fèi)使用

夢(mèng)晨 2024-05-09 08:47:23 來(lái)源：量子位

夢(mèng)晨 明敏 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

AlphaFold 3再登Nature！

這次重磅升級(jí)，不再僅限于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)——可以以前所未有的精度預(yù)測(cè)所有生命分子的結(jié)構(gòu)和相互作用。

只有了解它們?nèi)绾卧跀?shù)百萬(wàn)種組合中相互作用，我們才能開(kāi)始真正理解生命的過(guò)程。

這次的最大創(chuàng)新之一，是用上了AI繪畫(huà)上常見(jiàn)的去噪擴(kuò)散模型，直接生成每個(gè)原子的3D坐標(biāo)。

現(xiàn)在，AlphaFold 3對(duì)普通感冒病毒Spike蛋白（藍(lán)色）的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，灰色部分為預(yù)測(cè)結(jié)果。這能讓人類更進(jìn)一步了解冠狀病毒。

對(duì)蛋白質(zhì)和DNA結(jié)合的分子復(fù)合物進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)構(gòu)幾乎一致。

在不輸入任何結(jié)構(gòu)信息的情況下，AlphaFold3預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度比現(xiàn)有方法提高了50%，對(duì)于部分相互作用類別甚至提高了1倍。

這使得AlphaFold 3成為首個(gè)超越基于真實(shí)生物分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具的AI系統(tǒng)。

而且全球科學(xué)家通過(guò)AlphaFold服務(wù)器即可免費(fèi)訪問(wèn)使用AlphaFold 3進(jìn)行非商業(yè)研究（開(kāi)放大部分功能）。

DeepMind聯(lián)創(chuàng)兼CEO哈撒比斯在發(fā)布會(huì)上非?？隙ǖ乇硎?，AlphaFold 3是人類了解生物學(xué)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)歷史性的第一步。

網(wǎng)友都紛紛感慨：這就是AI的用處所在啊。

用擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)生成預(yù)測(cè)結(jié)果

事實(shí)上，在AlphaFold 3之前還進(jìn)行過(guò)一系列小規(guī)模更新，重點(diǎn)提高了對(duì)蛋白質(zhì)復(fù)合體的預(yù)測(cè)精度。

所以總結(jié)下來(lái)：

• AlphaFold，開(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的新時(shí)代
• AlphaFold 2，大幅提高了預(yù)測(cè)精度
• AlphaFold-Multimer，將預(yù)測(cè)范圍擴(kuò)展到具有多個(gè)蛋白質(zhì)鏈的復(fù)合物
• AlphaFold 2.3，它提高了性能并將覆蓋范圍擴(kuò)大到更大的復(fù)合物

這次革命性的AlphaFold 3，繼續(xù)將預(yù)測(cè)范圍擴(kuò)展到蛋白質(zhì)、DNA、RNA以及一系列配體、離子和化學(xué)修飾等更多生物分子結(jié)構(gòu)。

AlphaFold 3建立在AlphaFold 2的基礎(chǔ)上，但在架構(gòu)和訓(xùn)練過(guò)程上有很大改進(jìn)：

• 遺傳特征編碼器(MSA module)被大幅簡(jiǎn)化，聚焦提取更關(guān)鍵的進(jìn)化信息。
• 成對(duì)殘基關(guān)系編碼器(Pairformer)取代了原有的進(jìn)化特征處理單元(Evoformer)，增強(qiáng)了復(fù)雜相互作用模式的建模能力。
• 結(jié)構(gòu)生成器從以氨基酸為中心，改為直接預(yù)測(cè)原子坐標(biāo)，增加了處理通用分子結(jié)構(gòu)的靈活性。

為了避免擴(kuò)散方法在一些無(wú)結(jié)構(gòu)區(qū)域產(chǎn)生幻覺(jué)，還引入了一種新的交叉蒸餾方法，通過(guò)AlphaFold-Multimer v2預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)豐富訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

更讓人驚嘆的是，AlphaFold 3即便在訓(xùn)練數(shù)據(jù)極度匱乏的領(lǐng)域，也展現(xiàn)出了驚人的泛化能力。

舉個(gè)例子，在CASP15的RNA預(yù)測(cè)任務(wù)中，它在10個(gè)公開(kāi)靶點(diǎn)上的平均表現(xiàn)超過(guò)了專門的RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型。要知道，這可是在幾乎沒(méi)有RNA訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下實(shí)現(xiàn)的。

盡管AlphaFold 3在多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了突破，但它并非完美無(wú)缺。比如在對(duì)映異構(gòu)、自相互作用等方面，它還存在一定局限性。

此外，它目前專注的是分子結(jié)構(gòu)的靜態(tài)預(yù)測(cè)，對(duì)動(dòng)力學(xué)行為的刻畫(huà)還不夠。對(duì)人工合成分子的適用性也有待考證。

AlphaFold 3偶爾也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，對(duì)無(wú)序區(qū)域產(chǎn)生幻覺(jué)，導(dǎo)致對(duì)某些目標(biāo)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低。

目前的緩解手段，是在生成時(shí)使用多個(gè)隨機(jī)種子，確保正確的手性并避免蛋白質(zhì)-配體輕微碰撞。

但瑕不掩瑜，AlphaFold 3的意義不僅在于具體指標(biāo)的躍升，而是展示了用統(tǒng)一的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，來(lái)建模復(fù)雜生命系統(tǒng)組件之間相互作用的可能性。

AlphaFold開(kāi)始商業(yè)化

2021年AlphaFold一代推出后，谷歌DeepMind積極為其尋找商業(yè)化途徑，并成立了Isomorhpic Labs公司。

這次雖然以谷歌DeepMind的名義新推出了免費(fèi)的AlphaFold Server，號(hào)稱科學(xué)家只需點(diǎn)擊幾下就模擬由蛋白質(zhì)、DNA、RNA 以及一系列配體、離子和化學(xué)修飾組成的結(jié)構(gòu)。

然而Nature報(bào)道指出，科學(xué)家對(duì)AlphaFold 3服務(wù)器的訪問(wèn)是有限的。目前每天只能進(jìn)行10次預(yù)測(cè)，而且不可能獲得可能與藥物結(jié)合的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

Isomorphic Labs正在使用AlphaFold3通過(guò)自己的管道或與其他制藥公司合作開(kāi)發(fā)藥物。

審稿人也在線喊話哈撒比斯，自己從服務(wù)器上得到了非常好的結(jié)果，但是發(fā)布論文里為什么沒(méi)有給代碼？

他在審稿評(píng)論中列出了AlphaFold2代碼發(fā)布后的一系列科學(xué)事件，它認(rèn)為如果不公布代碼就不會(huì)有如此多科學(xué)成果。

不過(guò)，可不要小看開(kāi)源社區(qū)的力量。

可能不少人論文都沒(méi)看完，開(kāi)源復(fù)現(xiàn)工作就已經(jīng)開(kāi)啟了。

雖然現(xiàn)在還只是空倉(cāng)，但網(wǎng)友推測(cè)，對(duì)于復(fù)現(xiàn)過(guò)ViT、DALL·E 2、Imagen等工作的這位大神來(lái)說(shuō)，可能幾天之內(nèi)就能完成。

目前Nature已經(jīng)放出的AlphaFold3論文預(yù)印版。感興趣的同學(xué)可以前去了解。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07487-w

參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01383-z
[2]https://www.isomorphiclabs.com/articles/a-glimpse-of-the-next-generation-of-alphafold
[3]https://github.com/lucidrains/alphafold3-pytorch