Fujitsu e RIKEN desenvolvem tecnologia de descoberta de medicamentos com IA utilizando IA generativa para prever mudanças estruturais em proteínas

TÓQUIO, 10 de outubro de 2023 – (JCN Newswire) – A Fujitsu Limited e a Divisão de Plataforma de Desenvolvimento de Medicamentos orientada por HPC e IA do Centro RIKEN de Ciência Computacional anunciaram hoje que desenvolveram uma tecnologia de descoberta de medicamentos por IA que pode prever mudanças estruturais de proteínas de imagens de microscópio eletrônico como um mapa de densidade 3D em ampla faixa, utilizando IA generativa em janeiro de 2023. As duas partes planejam ainda apresentar um artigo sobre esta tecnologia na MICCAI 2023, a principal conferência internacional na área de processamento de imagens médicas, em 10 de outubro de 2023 (horário do Japão).

Em conjunto com este anúncio, a Fujitsu também planeia disponibilizar a sua tecnologia de previsão para alterações estruturais de proteínas a 10 de Outubro de 2023 como uma componente de inovação em IA do Fujitsu Kozuchi (nome de código) – Plataforma Fujitsu AI, uma plataforma de IA que permite aos usuários testar rapidamente tecnologias avançadas.

Como parte de um projecto de investigação conjunto lançado em Maio de 2022, a Fujitsu e a RIKEN desenvolveram uma tecnologia de IA generativa que estima com precisão as várias formas de conformação de uma proteína alvo e as suas possíveis proporções a partir de um grande número de imagens de projecção obtidas por microscopia electrónica, bem como uma tecnologia que prevê mudanças conformacionais na proteína alvo a partir das proporções estimadas. Com base nessas duas tecnologias, as duas partes desenvolveram uma tecnologia de descoberta de medicamentos de IA que pode prever mudanças estruturais de uma proteína em uma ampla gama, com o objetivo de desenvolver tecnologia de descoberta de medicamentos de TI de próxima geração que reduza significativamente o tempo de desenvolvimento e o custo de medicamentos. descoberta.

A tecnologia permite a aquisição precisa de conformações e alterações de proteínas com base em dados experimentais em mais de dez vezes menos tempo do que os procedimentos convencionais (1), permitindo assim a inovação no processo de concepção de medicamentos que se ligam a proteínas alvo, como bactérias e vírus.

No futuro, a Fujitsu e a RIKEN utilizarão a recém-desenvolvida tecnologia de IA generativa como uma das principais tecnologias para concretizar a tecnologia TI de descoberta de medicamentos da próxima geração, que pode analisar as relações complexas entre proteínas-alvo e anticorpos, e prever alterações estruturais globais de moléculas com elevado precisão e velocidade.

BACKGROUND

As proteínas que estão intimamente envolvidas nos ciclos de vida e nos mecanismos de doenças dos organismos vivos são naturalmente muito flexíveis e interagem com outras moléculas in vivo, alterando a conformação da sua estrutura. Por exemplo, para desenvolver medicamentos que suprimam a infecção por vírus como o COVID-19 que estimulam a sua infecção com alterações conformacionais nas suas proteínas de superfície, é necessário determinar os vários estados conformacionais das proteínas e como eles mudam entre as conformações. No entanto, os métodos convencionais de análise estrutural requerem um alto nível de experiência e tentativa e erro, exigindo tempo e gastos consideráveis ​​para obter mudanças conformacionais precisas. Para resolver este problema, a Fujitsu e a RIKEN desenvolveram as seguintes duas novas tecnologias de descoberta de medicamentos utilizando IA generativa.

Duas tecnologias de descoberta de medicamentos

A Fujitsu e a RIKEN desenvolveram duas novas tecnologias de descoberta de medicamentos, utilizando o know-how cultivado através do desenvolvimento da tecnologia de aprendizagem profunda da Fujitsu e aplicando o conhecimento da simulação molecular de descoberta de medicamentos da RIKEN utilizando o supercomputador Fugaku (2). A combinação das duas tecnologias reduziu o tempo de previsão de mudanças conformacionais em uma proteína alvo de um dia para duas horas.3), contribuindo assim para a aceleração e eficiência do processo de descoberta de medicamentos para empresas farmacêuticas. Os detalhes de cada tecnologia são os seguintes:

1. Tecnologia de IA generativa que estima com precisão as várias formas de conformação de proteínas e suas proporções

A previsão precisa de mudanças conformacionais de uma proteína alvo em uma ampla faixa requer as possíveis formas de conformação e suas proporções precisas. Neste estudo, a Fujitsu e a RIKEN reconstruíram um mapa de densidade 3D de cada conformação a partir de um grande número de imagens de projeção e os ângulos correspondentes num determinado momento. Ao mesmo tempo, as duas partes estimaram a proporção com base na frequência da conformação reconstruída como pista.

2. Tecnologia para prever mudanças conformacionais com base em características de baixa dimensão da conformação de proteínas

Uma vez que a conformação da proteína alvo é geralmente expressa por dados de alta dimensão, é difícil prever diretamente as alterações conformacionais. No entanto, no processo de reconstrução da conformação pela tecnologia generativa de IA do parágrafo anterior, a Fujitsu e a RIKEN extraíram uma característica de baixa dimensão da conformação. Utilizando tecnologia de IA generativa, a Fujitsu e a RIKEN analisaram os dados de baixa dimensão e previram as mudanças conformacionais restaurando mapas de densidade 3D.

Imagem: Esboço da tecnologia recentemente desenvolvida O codificador e o decodificador são treinados em imagens que foram obtidas em quantidades grandes o suficiente por um microscópio. Após o treinamento, é possível obter uma distribuição analisável de baixa dimensão 1) no espaço latente que equivale à distribuição estrutural 2), que é difícil de analisar. Ao mesmo tempo, o decodificador pode recuperar vários mapas de densidade 3D correspondentes a recursos de baixa dimensão.Planos Futuros

No futuro, a Fujitsu e a RIKEN irão alavancar a recém-desenvolvida tecnologia de descoberta de medicamentos com IA como uma das principais tecnologias para analisar complexos entre proteínas alvo e anticorpos e para prever alterações estruturais em moléculas com elevada precisão e velocidade. Para contribuir para a concretização da Sociedade 5.0 na área da medicina, a RIKEN está a promover a construção de uma plataforma DX de descoberta de medicamentos no supercomputador Fugaku, com o objetivo de inovar o processo de descoberta de medicamentos ao utilizá-lo como uma das novas tecnologias para estimar os diversos estados estruturais de proteínas alvo. A RIKEN está promovendo ainda várias iniciativas, incluindo TRIP (4) que visa criar plataformas de investigação inovadoras que gerem efetivamente novos campos de conhecimento em todos os domínios de investigação. A Fujitsu também planeia começar a oferecer a sua tecnologia de previsão para alterações estruturais de proteínas a 10 de outubro de 2023, como um módulo de componente central de inovação em IA da Fujitsu Kozuchi (nome de código) – Fujitsu AI Platform. Sob Fujitsu Uvance, que visa concretizar um mundo sustentável, a Fujitsu está a promover Vida Saudável, o que maximiza a experiência de vida de todos. A Fujitsu continuará a contribuir para a resolução de problemas sociais na área médica, desenvolvendo tecnologias que combinam os seus pontos fortes em IA e HPC.

(1) Procedimento convencional:Isto se refere ao procedimento para construir uma sequência de mudança conformacional de uma proteína alvo, conforme descrito no artigo [Kinman et al. (2023)]. Neste procedimento, a sequência é construída usando IA generativa existente, crioDRGN, que foi treinada por um grande número de imagens de projeção da proteína alvo.
(2) Supercomputador Fugaku:Um computador instalado no RIKEN como sucessor do computador K. De junho de 2020 a novembro de 2021, ficou em primeiro lugar em 4 categorias no ranking de supercomputadores por 4 mandatos consecutivos. A operação completa começou em 9 de março de 2021.
(3) Reduza o tempo com previsão de uma mudança conformacional em uma proteína alvo de um dia para duas horas:O efeito da aplicação comumente usada dados do ribossomo a essas duas tecnologias. O tempo de referência, um dia, refere-se ao tempo de execução descrito no artigo [Kinman et al. (2023)].
(4) VIAGEM :Plataforma de Inovação em Pesquisa Transformativa das plataformas RIKEN

Sobre a Fujitsu

O propósito da Fujitsu é tornar o mundo mais sustentável construindo confiança na sociedade através da inovação. Como o parceiro de transformação digital escolhido por clientes em mais de 100 países, nossos 124,000 funcionários trabalham para resolver alguns dos maiores desafios que a humanidade enfrenta. Nossa gama de serviços e soluções baseia-se em cinco tecnologias principais: Computação, Redes, IA, Dados e Segurança e Tecnologias Convergentes, que reunimos para oferecer transformação sustentável. A Fujitsu Limited (TSE:6702) reportou receitas consolidadas de 3.7 trilhões de ienes (US$ 28 bilhões) no ano fiscal encerrado em 31 de março de 2023 e continua sendo a principal empresa de serviços digitais do Japão em participação de mercado. Descubra mais: www.fujitsu.com.

Sobre o RIKEN Center for Computational Science

RIKEN é a maior instituição de pesquisa abrangente do Japão, conhecida por pesquisas de alta qualidade em uma ampla gama de disciplinas científicas. Fundada em 1917 como uma fundação de pesquisa privada em Tóquio, a RIKEN cresceu rapidamente em tamanho e escopo, hoje abrangendo uma rede de centros de pesquisa e institutos de classe mundial em todo o Japão, incluindo o Centro RIKEN para Ciência Computacional (R-CCS), a casa de o supercomputador Fugaku. Como o centro de liderança da computação de alto desempenho, o R-CCS explora a “Ciência da computação, pela computação e para a computação”. Os resultados da exploração - as tecnologias como o software de código aberto - são sua competência central. O R-CCS se esforça para aprimorar a competência central e para promover as tecnologias em todo o mundo.

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• Fonte: https://www.jcnnewswire.com/pressrelease/86962/3/