Er is iets spannends gebeurd in het domein van de eiwitchemie en elke arts zou ervan op de hoogte moeten zijn. AlphaFold, een artificiële intelligentieprogramma van Google is er eind 2020 in geslaagd om beter dan ooit de 3D-structuur van eiwitten te voorspellen.

Niet onder de indruk? Misschien wel als je weet dat dit een van de meest hardnekkige uitdagingen is die de biomedische wetenschappen al decennia in de ban houdt. Of als je weet dat de huidige doorbraak een gelijkaardige impact kan hebben op de geneeskunde als het in kaart brengen van het menselijk genoom in 2003.

Waar onze huidige geneeskunde nog hoofdzakelijk empirisch is, geeft de recente doorbraak van AlphaFold uitzicht op een extra instrument om biologie op moleculair niveau in kaart te brengen en van daaruit medische inzichten te verwerven.

Onze genetische code (DNA) bevat de instructies voor het maken van eiwitten. De werking van eiwitten wordt echter volledig bepaald door hun 3D-structuur. Zo zorgen zogenaamde polymerases van virussen ervoor dat het virus zijn genoom kan kopiëren.

Als je de structuur van dergelijke essentiële eiwitten kan voorspellen op basis van hun genetische code, kan het aanzienlijk eenvoudiger worden om medicijnen te ontwikkelen die het proces van replicatie stilleggen. En dat speelt niet alleen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen tegen virale infecties, maar bij de studie van bijna alle processen in ons lichaam.

Maar wat is nu juist de doorbraak van AlphaFold en welke verwachtingen en kanttekeningen kunnen we erbij plaatsen? Zoals gezegd is de structuurbepaling van eiwitten een complex gegeven. Door allerlei chemische en fysische reacties gaan lineaire ketens van aminozuren over in een 3D- eiwitstructuur, die vaak ook nog eens een conglomeraat is van verschillende subeenheden.

Die structuur in kaart brengen kan met geavanceerde technieken, maar deze zijn duur en niet altijd inzetbaar. Van oudsher proberen wetenschappers daarom programma's te ontwikkelen die de 3D-structuur kunnen voorspellen op basis van de lineaire aminozuurketen.

Een bekend initiatief is 'folding@home': een in 2000 gestart project waarbij je de rekenkracht van je eigen laptop of pc kan inzetten als onderdeel van een gedistribueerd computernetwerk. Sinds 1994 is er ook een tweejaarlijkse competitie, genaamd CASP, die je kan beschouwen als 'het wereldkampioenschap voor software die eiwitstructuren voorspelt'.

Net zoals de genetica de deur heeft geopend naar innovaties in de geneeskunde, zullen nieuwe instrumenten voor eiwitchemie ook van ongekende waarde blijken

Tijdens CASP2020 demonstreerde AlphaFold dat het een gigantische stap voorwaarts gezet had. Voor het eerst in de geschiedenis haalde het de score hoger dan 90. Dit wil zeggen dat het in staat is om 3D-structuren te voorspellen met atomaire precisie, wat noodzakelijk is voor de wetenschappelijke relevantie.

Positief is daarenboven dat AlphaFold een beroep doet op relatief eenvoudige principes van artificiële intelligentie. Aan de keerzijde dient gezegd dat er ook nog veel onopgelost blijft. Zo geeft AlphaFold enkel een antwoord op het eindresultaat van het 'opvouwwerk' en is aanvullend inzicht in het vouwproces belangrijk voor ziektes als Alzheimer of Creutzfelt Jacob.

Ook ondergaan zowat alle eiwitten in ons lichaam aanvullende of post-translationele wijzigingen zoals glycosylering, en is dat geen onderdeel van de voorspellingen van AlphaFold. Vanuit de genetica weten we daarenboven dat met elke stap naar meer inzicht ook meer complexiteit aan de oppervlakte komt. Dus ook in de eiwitchemie kunnen we verwachten dat als gevolg van elk opgelost probleem er nieuwe vraagstukken bij zullen komen.

Desalniettemin zou Alphafold wel eens het begin van een nieuw tijdperk kunnen aankondigen. Het kan nu erg snel gaan. Het Human genome-project nam destijds 13 jaar en enkele miljarden euro's in beslag om een menselijk genoom te lezen, maar tegenwoordig kan dit in enkele dagen en voor minder dan €1.000.

Deze techniek zorgt tegenwoordig voor doorbraken in onder andere oncologie. In het domein van eiwitchemie was er bovendien ook een andere doorbraak die minder aandacht kreeg, maar wel eens heel belangrijk kan blijken. Met name veel betere chiptechnologie in de apparaten voor cryo-elektronenmicroscopie die het mogelijk maken om biologie op atomaire schaal te bekijken.

Het combineren van programma's als AlphaFold met microscopische technieken doet mij in elk geval al uitkijken naar de revolutie die ons op dit terrein te wachten staat. En net zoals de genetica de deur heeft geopend naar innovaties in de geneeskunde, zullen deze nieuwe instrumenten voor eiwitchemie ook van ongekende waarde blijken voor de medische praktijk.

Peter Peumans studeerde af als burgerlijk ingenieur elektrotechniek aan de KU Leuven en haalde zijn doctoraat aan Princeton University. Vervolgens werd hij professor in Electrical Engineering aan Stanford University waar hij onderzoek leidde naar nieuwe systemen voor het capteren van zonne-energie. Sinds 2011 is hij actief op imec en werkt hij mee aan de strategie voor imec's Life Sciences activiteiten.

Er is iets spannends gebeurd in het domein van de eiwitchemie en elke arts zou ervan op de hoogte moeten zijn. AlphaFold, een artificiële intelligentieprogramma van Google is er eind 2020 in geslaagd om beter dan ooit de 3D-structuur van eiwitten te voorspellen. Niet onder de indruk? Misschien wel als je weet dat dit een van de meest hardnekkige uitdagingen is die de biomedische wetenschappen al decennia in de ban houdt. Of als je weet dat de huidige doorbraak een gelijkaardige impact kan hebben op de geneeskunde als het in kaart brengen van het menselijk genoom in 2003.Waar onze huidige geneeskunde nog hoofdzakelijk empirisch is, geeft de recente doorbraak van AlphaFold uitzicht op een extra instrument om biologie op moleculair niveau in kaart te brengen en van daaruit medische inzichten te verwerven. Onze genetische code (DNA) bevat de instructies voor het maken van eiwitten. De werking van eiwitten wordt echter volledig bepaald door hun 3D-structuur. Zo zorgen zogenaamde polymerases van virussen ervoor dat het virus zijn genoom kan kopiëren. Als je de structuur van dergelijke essentiële eiwitten kan voorspellen op basis van hun genetische code, kan het aanzienlijk eenvoudiger worden om medicijnen te ontwikkelen die het proces van replicatie stilleggen. En dat speelt niet alleen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen tegen virale infecties, maar bij de studie van bijna alle processen in ons lichaam.Maar wat is nu juist de doorbraak van AlphaFold en welke verwachtingen en kanttekeningen kunnen we erbij plaatsen? Zoals gezegd is de structuurbepaling van eiwitten een complex gegeven. Door allerlei chemische en fysische reacties gaan lineaire ketens van aminozuren over in een 3D- eiwitstructuur, die vaak ook nog eens een conglomeraat is van verschillende subeenheden. Die structuur in kaart brengen kan met geavanceerde technieken, maar deze zijn duur en niet altijd inzetbaar. Van oudsher proberen wetenschappers daarom programma's te ontwikkelen die de 3D-structuur kunnen voorspellen op basis van de lineaire aminozuurketen.Een bekend initiatief is 'folding@home': een in 2000 gestart project waarbij je de rekenkracht van je eigen laptop of pc kan inzetten als onderdeel van een gedistribueerd computernetwerk. Sinds 1994 is er ook een tweejaarlijkse competitie, genaamd CASP, die je kan beschouwen als 'het wereldkampioenschap voor software die eiwitstructuren voorspelt'. Tijdens CASP2020 demonstreerde AlphaFold dat het een gigantische stap voorwaarts gezet had. Voor het eerst in de geschiedenis haalde het de score hoger dan 90. Dit wil zeggen dat het in staat is om 3D-structuren te voorspellen met atomaire precisie, wat noodzakelijk is voor de wetenschappelijke relevantie. Positief is daarenboven dat AlphaFold een beroep doet op relatief eenvoudige principes van artificiële intelligentie. Aan de keerzijde dient gezegd dat er ook nog veel onopgelost blijft. Zo geeft AlphaFold enkel een antwoord op het eindresultaat van het 'opvouwwerk' en is aanvullend inzicht in het vouwproces belangrijk voor ziektes als Alzheimer of Creutzfelt Jacob. Ook ondergaan zowat alle eiwitten in ons lichaam aanvullende of post-translationele wijzigingen zoals glycosylering, en is dat geen onderdeel van de voorspellingen van AlphaFold. Vanuit de genetica weten we daarenboven dat met elke stap naar meer inzicht ook meer complexiteit aan de oppervlakte komt. Dus ook in de eiwitchemie kunnen we verwachten dat als gevolg van elk opgelost probleem er nieuwe vraagstukken bij zullen komen.Desalniettemin zou Alphafold wel eens het begin van een nieuw tijdperk kunnen aankondigen. Het kan nu erg snel gaan. Het Human genome-project nam destijds 13 jaar en enkele miljarden euro's in beslag om een menselijk genoom te lezen, maar tegenwoordig kan dit in enkele dagen en voor minder dan €1.000. Deze techniek zorgt tegenwoordig voor doorbraken in onder andere oncologie. In het domein van eiwitchemie was er bovendien ook een andere doorbraak die minder aandacht kreeg, maar wel eens heel belangrijk kan blijken. Met name veel betere chiptechnologie in de apparaten voor cryo-elektronenmicroscopie die het mogelijk maken om biologie op atomaire schaal te bekijken.Het combineren van programma's als AlphaFold met microscopische technieken doet mij in elk geval al uitkijken naar de revolutie die ons op dit terrein te wachten staat. En net zoals de genetica de deur heeft geopend naar innovaties in de geneeskunde, zullen deze nieuwe instrumenten voor eiwitchemie ook van ongekende waarde blijken voor de medische praktijk.