Nuclera: Vertex AI 上の Google DeepMind AlphaFold2 を使用して創薬の高速化を目指す
Google Cloud Japan Team
※この投稿は米国時間 2023 年 12 月 19 日に、Google Cloud blog に投稿されたものの抄訳です。
英国と米国に本拠を置くバイオテクノロジー企業である Nuclera は、ライフ サイエンス コミュニティにサービスを提供するために Google Cloud と協力しており、Nuclera のラピッド プロテイン アクセス ベンチトップ システムと、Google Cloud の Vertex AI ML プラットフォームで提供される Google DeepMind の先駆的なタンパク質構造予測ツール AlphaFold2（資料 1）を組み合わせています。
タンパク質が創薬標的の 95% を占めるため、創薬を支援するために複数の活性タンパク質のバリエーションを取得する需要が常に増加しています。特に、信頼性の高いタンパク質構造予測は、化合物 / 生物製剤リード開発の前提条件です。
画期的な AI ツールである AlphaFold2（2021 年に DeepMind によってリリース）は、タンパク質構造の予測精度を飛躍的に向上させ、近年、構造生物学コミュニティや創薬コミュニティを大いに沸かせてきました（資料 2）。
Nuclera と Google のテクノロジーを統合することにより、医薬品開発者がタンパク質構築物の設計を最適化し、創薬プロセスを高速化するための新しい統合システムが実現します。まもなく、数分から数時間で高品質の構造を得られるようになり、レーザー誘導タンパク質設計が可能になる予定です。さらに、実験的に特徴付けることが「不可能」と考えられていたタンパク質向けの信頼できる構造も利用できるようになります。
重要なタンパク質を作る
ラボベースの研究でタンパク質を利用できることは創薬の基礎と言えます。しかし、達成が困難かつ費用がかかることで知られており、研究の可能性には時間とリソースの制限が課せられます。
Nuclera は、タンパク質を利用しやすくすることで人間の健康を改善することを目指しており、そのベンチトップ eProtein Discovery システムを通じて DNA から活性タンパク質を取得できるようにライフサイエンス研究者を支援します（図 1 を参照）。Nuclera のテクノロジーは、スマート カートリッジ上で無細胞タンパク質合成とデジタル マイクロ流体工学を統合し、自動化された高スループットのベンチトップ プロテイン アクセス システムを通じてタンパク質プロジェクトの迅速な進行を可能にします。
AlphaFold2 が Nuclera にどのように適合するか - 誘導タンパク質設計
AlphaFold2 は DeepMind が開発した AI モデルで、タンパク質のアミノ酸の 1 次元配列情報に基づいて 3 次元構造を予測します。生物学的研究の突破口として幅広い分野で歓迎され、ワクチンや合成物質の開発を飛躍的に発展させると期待されています。
Google Cloud の Vertex AI 上で動作する AlphaFold2 は、タンパク質の品質と入手可能性を向上させるために、Nuclera のクラウドベースのソフトウェアに不可欠な機能となる予定です。現在、Nuclera のクラウド ソフトウェアでは、顧客は発現および精製スクリーニングの結果を基礎に、情報に基づいた意思決定を行い、スケールアップに最適なタンパク質構築物およびタンパク質のスケールアップに最適な条件を特定できます。AlphaFold2 を eProtein Discovery ソフトウェアに統合すると、実験設計段階で in silico フィルタが追加されるため、システム上でスクリーニングされる構造物の品質が向上します。これにより、創薬プログラムを構築する真に最適な標的タンパク質を特定する確率が高くなります。さらに、AlphaFold2 は、eProtein Discovery ユーザーが薬物相互作用、構造的特徴、折り畳みへの影響など、考えられる標的タンパク質構築物について深いインサイトを得るのに役立ちます。
Vertex AI パイプラインへの Alphafold2 の実装
AlphaFold2 アルゴリズムの計り知れない能力は否定できませんが、Alphafold2 にはサービスを提供するインフラストラクチャと運用モデルが必要であることに注意することが重要です。
タンパク質の構造予測を行うことは、コンピューティング集約的なタスクになります。推論ワークフローを大規模に実行するのは簡単なことではありません。推論にかかる経過時間の最適化、ハードウェア リソースの使用率の最適化、テストの管理などの困難な課題があります。
AlphaFold2 の Vertex AI ソリューションは、次のような最適化に焦点を当てて大規模な推論を行えるように設計されています。
- 独立したステップを並列化することによる推論ワークフローの最適化。
- 各ステップを最適なハードウェア プラットフォームで実行することによるハードウェアの使用率（および結果的にコスト）の最適化。このソリューションでは、最適化の一環として、各ステップに必要なコンピューティング リソースを自動的にプロビジョニングおよびデプロビジョニングします。
- 何百もの並列推論ワークフローの実行と分析プロセスを簡素化する、堅牢で柔軟なテスト追跡のアプローチについての説明。
Nuclera は、スケーラブルでリソース効率の高い AlphaFold パイプラインの基盤として Vertex AI プラットフォームを使用するほか、API を通じてパイプラインを公開し、eProtein Discovery システムと統合するために他の Google Cloud サービスも使用します。
実装のセットアップに関連するもの
AlphaFold2 と Nuclera が達成する最初の目標は、Google Cloud で AlphaFold2 の実行にアクセスするスケーラブルな API サービスを作成することから始まります。次に、ユーザーがタンパク質変異体の予測 3D 構造を視覚的かつ定量的に比較できるようにする分析ダッシュボードが構築されます。さらに、関心のあるタンパク質（POI）推奨機能は、コンピュータで生成されたスコアや保存されたドメインなどのさまざまな制約を考慮した、インテリジェントな選択アルゴリズムを使用して、考えられる合成タンパク質のバリアント（アイソフォーム、トランケーション、突然変異、オルソログ、または融合）を顧客に提案します。
eProtein Discovery / AlphaFold2 - その応用の重要性
AlphaFold2 が提供する 3D 構造の分析情報により、Nuclera とその顧客はタンパク質バリエーション合成プロセスを最適化し、残基とタンパク質の 3D 折り畳み構造間の相互作用についてより深いインサイトを得ることができます。
世界中の eProtein Discovery の顧客は、eProtein Discovery ソフトウェアの AlphaFold2 モジュールで提供される複合予測の恩恵を受けることで、タンパク質をより明確に理解し、情報に基づいた迅速な意思決定を行うことができ、最終的には学術研究の進歩と創薬の成功にかかる時間を節約できます。
Google Cloud ヘルスケア＆ライフ サイエンス ソリューション担当グローバル ディレクターの Shweta Maniar 氏は次のようにコメントしています。「Nuclera の eProtein Discovery System と統合された AlphaFold2 は、創薬における実際の使用を示す非常にエキサイティングなデモンストレーションであり、目的の構造と機能を備えたタンパク質を迅速かつ効率的に設計および生産できるよう研究者を支援します。」
Google Cloud と AlphaFold2 の優れた機能との提携により、私たちは AI/ML 支援創薬ツールの先駆者となることに喜びを感じています。これにより、これまで以上のペースで次世代の治療法が生み出されるはずです。このソリューションに関する詳細と試用については、コンポーネントおよびユニバーサル パイプラインと単量体パイプラインについて記載されている GitHub リポジトリをご確認ください。リポジトリ内のアーティファクトは、カスタマイズできるように設計されています。さらに、このソリューションをアップストリームおよびダウンストリームのワークフローに統合して、詳細な分析を行うことができます。Vertex AI の詳細については、プロダクト ページをご覧ください。
参照
- Jumper, J.、Evans, R.、Pritzel, A 他。AlphaFold による高精度なタンパク質構造予測。Nature 596, 583–589（2021）。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2
2. Ghadermarzi, S.、Li, X.、Li, Mi 他。薬物標的および創薬可能性のあるヒトタンパク質の配列由来マーカー。Front. Genet., 10, 1-18（2019）。https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2019.01075/full
-Nuclera、共同創業者 / CTO Gordon McInroy 氏
-Nuclera、共同創業者 / CEO Michael Chen 氏
