ElemedexEnciclopedia de bolsillo de arquitecturas de IA
N.º 050

AlphaFold 2

Origami

Le dan una tira de letras y devuelve una escultura en tres dimensiones, con un error menor que el ancho de un átomo. Aprendió de décadas de cristalografía ajena y en 2020 ganó una competencia a ciegas por varios cuerpos. No sabe cómo se pliega una proteína; sabe dónde termina.

Altura
48 bloques Evoformer + 8 de estructura (con pesos compartidos), reciclado ×3
Peso
≈ 370 MB por modelo (fp32, estimado a partir de los parámetros)
Parámetros
≈ 93 M (cifra que circula en la literatura; el artículo no la informa)
Contexto
recortes de 256 residuos al entrenar (384 al ajustar); en uso, cadenas de más de 2.000
Datos de entrenamiento
estructuras del PDB publicadas hasta el 30/4/2018 + ≈ 350.000 predicciones propias (autodestilación)
Año
2020
Generación
5 · Grandes modelos de lenguaje
Creadores
Jumper, Evans, Pritzel, Green, Figurnov … Kohli & Hassabis (DeepMind)
Clase
Modelo

Estadísticas base

Total
210

Escalas ordinales y aproximadas, pensadas para comparar especies entre sí; los números duros están en la ficha.

Debilidades

  • Con menos de unas 30 secuencias en el alineamiento, la precisión cae mucho.
  • Rinde peor con cadenas cuya forma depende de sus compañeras en un complejo.
  • Predice una estructura estática, como las del PDB: ni el movimiento de la molécula ni el camino del plegado.
  • No dice por qué una proteína adopta esa forma: predice, no explica (ver la nota del profesor).

Hábitat

Se crió en el Protein Data Bank, el archivo público donde los laboratorios depositan desde hace décadas las estructuras que resuelven, y en enormes bases de secuencias genéticas. Hoy sus predicciones cubren casi todas las proteínas conocidas y lo usan más de dos millones de personas en 190 países.

Movimientos

Habilidades

Evoformer
48 bloques que actualizan a la vez una representación del alineamiento y otra de cada par de residuos, para razonar juntas sobre evolución y geometría.
Lógica de triángulos
Si A está cerca de B y B cerca de C, eso restringe la distancia entre A y C: las actualizaciones de pares se organizan en triángulos para que la tabla pueda ser una estructura real.
Invariancia geométrica
La atención de punto invariante da el mismo resultado si se rota o se traslada la proteína entera: el sistema de referencia no importa.

Anatomía

Bloque Evoformer×48Bloque de estructura×8dos representacionesreciclado ×3Secuencia: MKTAYIAK…MSA(homólogos)Plantillas(PDB)Repr. del MSARepr. de paresAtención por filas del MSAAtención por columnasProducto externo → paresActualización triangularAtención triangularTransición (MLP)Repr. simple + paresAtención de puntoinvarianteMover cada residuo (R, t)Coordenadas 3D + pLDDTEntradasTroncoMódulo de estructura

AlphaFold 2 a la hora de predecir, según la figura 1e de Jumper et al. (2021). La secuencia se completa con un alineamiento múltiple (MSA) de proteínas emparentadas y con plantillas; de ahí salen dos representaciones, una del alineamiento (secuencias × residuos) y otra de pares (residuos × residuos). El tronco de 48 bloques Evoformer las refina juntas; el módulo de estructura, ocho bloques que comparten pesos, mueve cada residuo como un cuerpo rígido hasta producir las coordenadas y una confianza por residuo. La salida vuelve a entrar tres veces (reciclado).

Cadena evolutiva

  • atención sobre pares de residuos más un módulo de estructura 3D025 Transformer
050 AlphaFold 2

AlphaFold 2 es la red neuronal de DeepMind que predice la forma tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos y de un alineamiento con secuencias emparentadas. Se presentó en 2020 en la competencia CASP14 y se publicó en Nature en 2021 (Jumper et al., 2021).

El problema

Una proteína es una cadena de aminoácidos (hay 20 tipos) que se pliega en una estructura tridimensional, y esa forma decide qué hace (Real Academia Sueca de Ciencias, 2024a). Determinarla experimentalmente lleva meses o años: en 2021 se conocían las estructuras de unas 100.000 proteínas distintas, frente a miles de millones de secuencias (Jumper et al., 2021, p. 583). Predecir la estructura a partir de la secuencia llevaba más de cincuenta años abierto, y la competencia bienal CASP lo evalúa a ciegas, con estructuras recién resueltas y todavía no publicadas (2021, p. 583).

Cómo funciona

La entrada no es solo la secuencia: el sistema busca proteínas emparentadas en bases genéticas y arma un alineamiento múltiple (MSA); también puede usar como plantillas estructuras parecidas ya resueltas (Jumper et al., 2021, p. 585). El alineamiento importa porque guarda historia evolutiva: las correlaciones entre posiciones que mutan juntas delatan residuos que se tocan (2021, p. 583).

El tronco son 48 bloques llamados Evoformer, que actualizan a la vez dos representaciones: una del alineamiento (secuencias × residuos) y otra de pares (residuos × residuos). Los autores lo plantean como inferencia sobre un grafo cuyas aristas son pares de residuos cercanos (2021, p. 585). Hay autoatención por filas y por columnas del alineamiento, un producto externo que pasa información del alineamiento a los pares y actualizaciones «triangulares»: para que una tabla de distancias pueda ser una estructura real tiene que respetar, entre otras cosas, la desigualdad triangular (2021, p. 586).

El módulo de estructura, ocho bloques que comparten pesos, trata cada residuo como un cuerpo rígido (una rotación y una traslación) que arranca en el origen y se va acomodando. Su pieza clave es la atención de punto invariante: a las consultas, claves y valores de la atención habitual les agrega puntos en 3D expresados en el marco local de cada residuo, de modo que el resultado no cambia si se rota o se traslada la proteína entera (2021, pp. 585, 587). La salida son las coordenadas de todos los átomos pesados y una confianza por residuo (pLDDT), y todo el resultado vuelve a entrar en la red tres veces para refinarse: el «reciclado» (2021, p. 585).

Se entrenó con estructuras del Protein Data Bank (PDB) publicadas hasta el 30 de abril de 2018 (Jumper et al., 2021) y luego, por autodestilación, con unas 350.000 estructuras que la propia red había predicho con alta confianza (2021, p. 587).

Qué cambió

Frente al Transformer original, los «tokens» son residuos y lo que más importa es la relación entre pares; la geometría entra como sesgo inductivo. La primera versión de AlphaFold (CASP13, 2018), que Buckner (2024) cuenta entre los éxitos de las redes convolucionales profundas (2024, p. 119), era según sus autores «a completely different model» (Jumper et al., 2021, p. 584). En CASP14, la mediana del error de AlphaFold 2 en el esqueleto de la proteína fue de 0,96 Å, contra 2,8 Å del segundo mejor método; un átomo de carbono mide unos 1,4 Å (2021, p. 584).

En 2024, Hassabis y Jumper recibieron la mitad del Premio Nobel de Química «for protein structure prediction»; la otra mitad fue para David Baker, por el diseño computacional de proteínas (Real Academia Sueca de Ciencias, 2024a).

Formas

AlphaFold 3 (2024) cambia el Evoformer por un «Pairformer» que procesa mucho menos el alineamiento, y el módulo de estructura por uno de difusión, pariente del de los generadores de imágenes. Así predice complejos de proteínas con ADN, ARN, moléculas pequeñas e iones (Abramson et al., 2024, pp. 493–494). Al volverse generativo ganó un vicio: puede inventar estructura plausible en regiones que no la tienen (2024, p. 496). Al publicarse, solo podía usarse a través de un servidor web no comercial (2024).

Límites

La precisión cae mucho cuando el alineamiento tiene menos de unas 30 secuencias, y el modelo rinde peor con cadenas cuya forma depende de sus compañeras en un complejo (Jumper et al., 2021, p. 588). Como los demás predictores de este tipo, devuelve estructuras estáticas como las del PDB, no el comportamiento dinámico de las moléculas en solución (Abramson et al., 2024, p. 498). Predice dónde termina la cadena, no cómo llega ahí.

Fuentes

  • Abramson, J., Adler, J., Dunger, J., Evans, R., Green, T., Pritzel, A., Ronneberger, O., Willmore, L., Ballard, A. J., Bambrick, J., Bodenstein, S. W., Evans, D. A., Hung, C.-C., O’Neill, M., Reiman, D., Tunyasuvunakool, K., Wu, Z., Žemgulytė, A., Arvaniti, E., . . . Jumper, J. M. (2024). Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature, 630(8016), 493–500. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07487-w §
  • Buckner, C. J. (2024). From deep learning to rational machines: What the history of philosophy can teach us about the future of artificial intelligence. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780197653302.001.0001 §
  • Hempel, C. G. (1965). Aspects of scientific explanation and other essays in the philosophy of science. Free Press. §
  • Jumper, J., Evans, R., Pritzel, A., Green, T., Figurnov, M., Ronneberger, O., Tunyasuvunakool, K., Bates, R., Žídek, A., Potapenko, A., Bridgland, A., Meyer, C., Kohl, S. A. A., Ballard, A. J., Cowie, A., Romera-Paredes, B., Nikolov, S., Jain, R., Adler, J., . . . Hassabis, D. (2021). Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature, 596(7873), 583–589. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2 §
  • Millière, R., & Buckner, C. (2024b). A philosophical introduction to language models—Part II: The way forward (arXiv:2405.03207). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.03207 §
  • The Royal Swedish Academy of Sciences. (2024a, October 9). The Nobel Prize in Chemistry 2024 [Press release]. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2024/press-release/ §