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Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold

John Jumper et al. · 2021

아미노산 서열만 보고 단백질의 3차원 구조를 원자 수준까지 맞히는 인공지능 알파폴드(AlphaFold)를 소개한 논문입니다. 50년 넘게 풀리지 않던 단백질 구조 예측 문제에서 실험으로 구한 구조에 견줄 만한 정확도를 보였습니다. 이 연구를 이끈 데미스 허사비스와 존 점퍼는 2024년 노벨 화학상을 받았습니다.

출처 Jumper et al. (2021), Nature, 596, 583–589 · 라이선스 CC BY 4.0 · 원문

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7장 · Interpreting the neural network

To understand how AlphaFold predicts protein structure, we trained a separate structure module for each of the 48 Evoformer blocks in the network while keeping all parameters of the main network frozen (Supplementary Methods 1.14). Including our recycling stages, this provides a trajectory of 192 intermediate structures—one per full Evoformer block—in which each intermediate represents the belief of the network of the most likely structure at that block. The resulting trajectories are surprisingly smooth after the first few blocks, showing that AlphaFold makes constant incremental improvements to the structure until it can no longer improve (see Fig. 4b for a trajectory of accuracy). These trajectories also illustrate the role of network depth. For very challenging proteins such as ORF8 of SARS-CoV-2 (T1064), the network searches and rearranges secondary structure elements for many layers before settling on a good structure. For other proteins such as LmrP (T1024), the network finds the final structure within the first few layers. Structure trajectories of CASP14 targets T1024, T1044, T1064 and T1091 that demonstrate a clear iterative building process for a range of protein sizes and difficulties are shown in Supplementary Videos 1–4. In Supplementary Methods 1.16 and Supplementary Figs. 12, 13, we interpret the attention maps produced by AlphaFold layers.

Figure 4a contains detailed ablations of the components of AlphaFold that demonstrate that a variety of different mechanisms contribute to AlphaFold accuracy. Detailed descriptions of each ablation model, their training details, extended discussion of ablation results and the effect of MSA depth on each ablation are provided in Supplementary Methods 1.13 and Supplementary Fig. 10.

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