Met dit algoritme zijn nieuwe medicijnen sneller te vinden
Of hij een gokje durfde nemen met zijn promotieonderzoek? Daar hoefde Jeroen Methorst niet lang over na te denken. Het kon mislukken óf heel mooi worden. Dat laatste is het geval. Methorst ontwikkelde een computersysteem dat onderzoekers helpt het eiwit te vinden dat ze nodig hebben ‘Onze hele groep werkt nu met dit programma’. Methorst promoveert op 2 april.
Jeroen Methorst is nanobioloog en biofysicus, maar in het lab vond hij zichzelf niet zo handig. Hij leerde zichzelf programmeren: daarin bleek hij wél heel handig. ‘Mijn begeleider Jelger Risselada vroeg of ik in was voor een risico en iets wilde ontwikkelen dat kon mislukken, maar misschien ook heel mooi kon worden.’
Methorst promoveert nu bij het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek op een computerstrategie waaraan de wetenschap waarschijnlijk nog veel plezier gaat beleven. Zo zocht collega Niek van Hilten één eiwit dat heel veel virussoorten kan vinden en vernietigen. Dat lukte met de strategie die Methorst ontwikkelde.
Het systeem weet genoeg van fysica
Methorst: ‘Het onderzoek van Niek begon met het idee een klein eiwit te ontwikkelen, opgebouwd uit twintig aminozuren. Het moest het sterk gekromde membraan van een klein virusbolletje herkennen en kapot knippen.’ Het systeem van Methorst weet genoeg van fysica om te beoordelen of een molecuul dat kan. Ook kan het de evolutie virtueel nabootsen om een geschikt molecuul te kunnen voorstellen. ‘Je geeft als input dat je een eiwit wilt dat is opgebouwd uit twintig aminozuren, en wat het moet kunnen. Een computerprogramma gaat van start met een paar honderd willekeurige eiwitmoleculen van twintig aminozuren groot.’
Een evolutionair algoritme laat de selectie met elkaar kruisen
Een ander programma beoordeelt die moleculen op basis van de fysica: welke tien, twintig moleculen zijn het beste in kromme membranen herkennen en kapot knippen? Die selectie gaat weer terug naar het evolutionaire algoritme. Dat laat deze selectie virtueel met elkaar kruisen, de moleculen krijgen als het ware kinderen. Net als in de natuur lijken die kinderen op hun ouders, maar ze zijn ook weer anders. Het selectieprogramma selecteert weer de besten en speelt die terug naar het evolutie-algoritme. Dat gaat zo een generatie of twintig, dertig door. Totdat de onderzoekers tevreden zijn.
Simulatiefilmpjes tonen het resultaat
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofOf de onderzoekers tevreden kunnen zijn, zien ze aan een simulatiefilmpje dat Methorsts strategie óók genereert. ‘Het programma dat de beste moleculen selecteert, doet dat door in simulaties alle moleculen virtueel te testen.’ De onderzoekers kunnen (een steekproef van) die simulaties bekijken, en het systeem stoppen als ze tevreden zijn. Niek van Hilten die een handige virusdoder zocht, stopte na zo’n 25 generaties. Toen werd de volgende generatie niet meer beter dan de vorige. In een Duits lab bleek dat het molecuul ook in het echt in staat was virussen te herkennen en te vernietigen.
Dat gaat ook weleens mis: zo vond het vernuftige evolutionaire biodynamica-systeem ook moleculen die cholesterol konden aantrekken. ‘Helaas trokken deze moleculen in het lab ook elkaar heel sterk aan. Die klontering wil je niet.’ Zoiets kan gebeuren, omdat ook weer niet de hele natuurkunde tot de kennis van het systeem behoort. ‘De kwantummechanica mist, want dan wordt het selectieprogramma te langzaam.’
Erg veel computerkracht nodig
Om het systeem van Methorst aan het werk te zetten, is heel veel computerkracht nodig. ‘Dat is de bottleneck, want supercomputers zijn schaars. Je moet er een aanvraag voor schrijven, eigenlijk net zoals je ook moet doen om een onderzoeksbeurs te krijgen.’
De sleutel om het systeem af te maken
De volgende stap is het bruikbaar maken van de enorme hoeveelheid simulatiedata voor andere onderzoekers. Student Nino Verwei werkt aan een zelflerend algoritme dat zelf voorspelt hoe een molecuul in elkaar moet zitten om te doen wat het moet doen. ‘Dat is de sleutel om mijn systeem af te maken. Het scheelt veel computerkracht en de kans wordt groter dat het molecuul ook in het lab werkt.’ Het algoritme wordt getraind met data van talloze simulaties uit Methorst selectieprogramma. Op basis van al die kennis voorspelt het algoritme hoe goed een molecuul werkt dat nog niet in het lab is getest. ‘We hebben nu een webserver online gezet waarop AI voorspelt hoe goed een molecuul werkt.’ Daar kan iedereen gebruik van maken.
De gok die Methorst waagde, pakte dus behoorlijk positief uit. ‘Onze hele groep werkt nu met mijn programma’s.’ Hijzelf blijft voorlopig betrokken als postdoc. ‘Omdat ik de programma’s heb geschreven, weet ik precies hoe je ermee moet werken.’
Tekst: Rianne Lindhout