Op een virtuele conferentie verschijnt een score die niet zou mogen bestaan, en beslecht vijftig jaar wetenschappelijke strijd in één klap
Het is 30 november 2020, rond het middaguur aan de Amerikaanse oostkust. In laboratoria van Cambridge tot Californië, van Tokio tot Tübingen, staren biologen naar dezelfde livestream. Naar dezelfde grafiek. Naar hetzelfde onmogelijke getal: 92,4. Een score die vijftig jaar wetenschappelijke strijd in één klap beslecht. De wereld zit midden in de coronapandemie, wetenschappers zijn ingelogd vanuit thuiskantoren en keukens, maar wat er op hun schermen verschijnt doet de crisis even vergeten. De kunstmatige intelligentie AlphaFold, ontwikkeld door het Londense bedrijf DeepMind, heeft zojuist een van de oudste raadsels van de biologie gekraakt.
Het raadsel dat generaties wakker hield
Eiwitten zijn de werkpaarden van het leven. Ze bouwen spieren, verteren voedsel, bestrijden infecties, transporteren zuurstof. Elk eiwit begint als een simpele keten, een snoer van aminozuren, als kralen aan een ketting. Maar dan gebeurt er iets magisch. Die keten vouwt zich op. In milliseconden kronkelt en draait de ketting tot een unieke driedimensionale vorm. Een vorm die bepaalt wat het eiwit doet. Een verkeerd gevouwen eiwit kan Alzheimer veroorzaken, of Parkinson, of kanker. Begrijp de vouwing, en je begrijpt ziekte. Begrijp de vouwing, en je kunt geneesmiddelen ontwerpen.
In 1972 postuleerde de Amerikaanse biochemicus Christian Anfinsen een baanbrekend idee, waarvoor hij datazelfde jaar de Nobelprijs voor Scheikunde ontving: de vouwing van een eiwit wordt volledig bepaald door de volgorde van zijn aminozuren. De informatie zit in de sequentie. Maar hoe je van sequentie naar structuur komt, bleef een mysterie. Het aantal mogelijke configuraties is astronomisch, een computer die elke mogelijkheid uitprobeert, zou langer nodig hebben dan het universum oud is. Experimentele methoden zoals röntgenkristallografie kostten maanden, soms jaren, voor één enkele structuur. Het menselijk lichaam alleen al bevat duizenden verschillende eiwitten.
De mannen achter de doorbraak
In het hoofdkwartier van DeepMind in Londen weten Demis Hassabis en John Jumper op 30 november 2020 wat er komen gaat. Hassabis is vierenveertig jaar oud, een voormalig schaakwonderkind dat zijn bedrijf in 2014 aan Google verkocht. Jumper is vijfendertig, hoofdwetenschapper van het AlphaFold-team. Samen leiden ze een team dat twee jaar lang aan een compleet nieuw systeem heeft gewerkt. AlphaFold 2 is een neuraal netwerk dat niet alleen naar individuele aminozuren kijkt, maar naar de relaties tussen alle aminozuren tegelijk. Een systeem dat leert van de evolutie, van miljoenen bekende structuren, van de patronen die de natuur zelf gebruikt.
De virtuele CASP14-conferentie, de Critical Assessment of protein Structure Prediction, sinds 1994 de meest prestigieuze competitie in de structurele biologie, presenteert de resultaten. Team voor team. Score voor score. En dan verschijnt AlphaFold. Waar andere teams scoren tussen de vijftig en de tachtig op de GDT-schaal, scoort AlphaFold 92,4. Een score van negentig wordt informeel beschouwd als gelijkwaardig aan experimentele methoden. AlphaFold overschrijdt die drempel ruimschoots. En niet voor één eiwit. Voor bijna allemaal.
De wereld reageert
De chatfuncties van de conferentie exploderen. John Moult, oprichter van CASP, spreekt de woorden uit die de wereld over zullen gaan: "Dit is een grote doorbraak. In zekere zin is het probleem opgelost." Andrei Lupas, directeur van het Max Planck Instituut voor Ontwikkelingsbiologie in Tübingen, begrijpt onmiddellijk wat hij ziet: "Dit zal de geneeskunde veranderen. Het zal onderzoek veranderen. Het zal bio-engineering veranderen. Het zal alles veranderen." Janet Thornton, directeur emeritus van het European Bioinformatics Institute, kijkt naar dezelfde cijfers. Ze heeft haar hele carrière aan eiwitstructuren gewijd. "Dit is een probleem waarvan ik begon te denken dat het niet in mijn leven zou worden opgelost," zegt ze.
In juli 2021 publiceren Hassabis, Jumper en hun team de volledige methodologie in Nature. Tegelijkertijd lanceren ze, in samenwerking met het European Bioinformatics Institute, de AlphaFold Protein Structure Database. Gratis toegankelijk voor iedereen. Tegen januari 2024 bevat de database 214 miljoen voorspellingen, structuren voor bijna elk bekend eiwit. Wat decennia zou kosten met experimentele methoden, is nu beschikbaar met een muisklik. Datazelfde jaar volgt de ultieme erkenning: de Nobelprijs voor Scheikunde.
Waarom dit kwartier beslissend was
Op 30 november 2020 veranderde de biologie voorgoed. Niet door een experiment in een laboratorium, maar door een presentatie op een videoconferentie. Het eiwitvouwingsprobleem was meer dan een wetenschappelijke puzzel, het was een test voor de grenzen van menselijk begrip. Sinds Christian Anfinsen in 1972 zijn Nobelprijs ontving, hadden duizenden onderzoekers hun carrières aan dit ene vraagstuk gewijd. De natuur deed het in milliseconden. Computers hadden generaties nodig. Tot een team in Londen een machine bouwde die leerde denken als de natuur zelf. In vijftien minuten werd duidelijk dat de code van het leven was gekraakt.