Eiwitwetenschappers en AI gaan tegen elkaar in

Een team van eiwitwetenschappers aan de Rutgers University ging tegen een computerprogramma in.

Spoiler alert: de AI won. Maar alleen met een haar.

Mensen tegen AI

Wetenschappers besloten dat ze een experiment wilden uitvoeren waarbij een mens met een diep begrip van eiwitontwerp en zelfassemblage tegen een kunstmatig intelligent computerprogramma met voorspellende mogelijkheden werd gematcht. Boven aan de lijst van potentiële wetenschappers stond Vikas Nanda, een onderzoeker bij het Center for Advanced Biotechnology and Medicine (CABM) van Rutgers.

Het experiment was bedoeld om te zien of de mens of de AI een betere baan kon doen bij het voorspellen van welke eiwitsequenties het meest succesvol zouden combineren.

De resultaten werden gepubliceerd in Nature Chemistry.

Nanda, onderzoekers bij Argonne National Laboratory in Illinois, en verschillende collega’s in de VS zeggen dat de strijd “dichtbij maar beslissend” was. De competitie zette Nanda en verschillende collega’s tegen het AI-programma, dat met een kleine marge won.

Wetenschappers zoeken meer kennis over eiwitselfassemblage, omdat ze geloven dat ze, door het beter te begrijpen, nieuwe en innovatieve producten voor medische en industriële toepassingen kunnen ontwerpen. Een van deze producten kan kunstmatig menselijk weefsel voor wonden zijn, terwijl een ander katalysatoren voor nieuwe chemische producten kan zijn.

Nanda is professor in de afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie aan de Rutgers Robert Wood Johnson Medical School.

“Ondanks onze uitgebreide expertise, deed de AI het even goed of beter op verschillende datasets, wat de enorme potentie van machine learning aantoont om menselijke vooroordelen te overwinnen”, zei Nanda.

Eiwitontwerp en zelfassemblage

Eiwitten bestaan uit grote aantallen aminozuren die aan elkaar zijn verbonden, en de ketens vouwen zich op tot driedimensionale moleculen met complexe vormen. De vorm van elk eiwit en de aminozuren die het bevat, bepalen het gedrag. Onderzoekers zoals Nanda zijn betrokken bij “eiwitontwerp”, wat betekent dat ze sequenties creëren die nieuwe eiwitten produceren. Het team heeft onlangs een synthetisch eiwit ontworpen dat snel VX, een gevaarlijk zenuwgas, kan detecteren. Deze nieuwe ontwikkeling kan grote gevolgen hebben voor nieuwe biosensoren en behandelingen.

Eiwitten assembleren zichzelf met andere eiwitten tot superstructuren die belangrijk zijn in de biologie. In sommige gevallen lijkt het erop dat eiwitten een ontwerp volgen, zoals wanneer ze zichzelf assembleren in een beschermende buitenste schil van een virus. Andere keren assembleren ze zichzelf wanneer ze biologische structuren vormen die zijn geassocieerd met bepaalde ziekten.

“Het begrijpen van eiwitselfassemblage is fundamenteel voor het maken van vooruitgang in veel gebieden, waaronder geneeskunde en industrie”, zei Nanda.

Nanda en vijf andere collega’s kregen een lijst met eiwitten en werden gevraagd om te voorspellen welke waarschijnlijk zouden zelfassembleren. De voorspellingen werden vervolgens vergeleken met die van het computerprogramma.

De menselijke experts gebruikten regels van duim op basis van hun observatie van eiwitgedrag in experimenten, waaronder patronen van elektrische ladingen en mate van afkeer van water. Zij selecteerden 11 eiwitten die zij voorspelden zouden zelfassembleren, terwijl de AI 9 eiwitten koos.

Het experiment toonde aan dat de mensen 6 correcte voorspellingen maakten van de 11 eiwitten, terwijl het computerprogramma 9 eiwitten koos.

Het experiment toonde ook aan dat de menselijke experts bepaalde aminozuren boven anderen “bevoordeelden”, wat leidde tot onjuiste keuzes. De AI koos correct eiwitten met eigenschappen die niet voor de hand lagen.

“We werken aan een fundamenteel begrip van de chemische aard van interacties die leiden tot zelfassemblage, dus ik maakte me zorgen dat het gebruik van deze programma’s belangrijke inzichten zou voorkomen”, zei Nanda. “Maar wat ik steeds beter begin te begrijpen, is dat machine learning gewoon een ander instrument is, net als elk ander.”