在過(guò)去兩年中，機(jī)器學(xué)習(xí)徹底改變了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)?，F(xiàn)在，《科學(xué)》雜志上的3篇論文描述了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方面的革命：華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物學(xué)家的研究表明，機(jī)器學(xué)習(xí)可比以前更準(zhǔn)確、更快速地創(chuàng)建蛋白質(zhì)分子。科學(xué)家們希望這一進(jìn)步將帶來(lái)更多新的疫苗、療法、碳捕獲工具和可持續(xù)生物材料。

論文資深作者、華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授、2021年生命科學(xué)突破獎(jiǎng)獲得者大衛(wèi)·貝克表示，蛋白質(zhì)是整個(gè)生物學(xué)的基礎(chǔ)，但迄今在每種植物、動(dòng)物和微生物中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，遠(yuǎn)不到所有可能蛋白質(zhì)的百分之一。有了這些新的軟件工具，研究人員應(yīng)該能夠找到解決醫(yī)學(xué)、能源和技術(shù)方面長(zhǎng)期挑戰(zhàn)的方案。

蛋白質(zhì)常被稱為“生命基石”，因?yàn)樗鼈儗?duì)于所有生物的結(jié)構(gòu)和功能都是必不可少的。蛋白質(zhì)中的氨基酸序列決定了它的三維形狀，這種復(fù)雜的形狀對(duì)于蛋白質(zhì)的功能至關(guān)重要。

為了超越自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，貝克團(tuán)隊(duì)成員將蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)分解為3個(gè)部分，并為每個(gè)部分使用新的軟件解決方案。

首先，必須生成新的蛋白質(zhì)形狀。在《科學(xué)》雜志上稍早發(fā)表的論文中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)AI通過(guò)兩種方式生成新的蛋白質(zhì)形狀：第一種稱為“幻覺(jué)”，類似于基于簡(jiǎn)單提示就能產(chǎn)生輸出的工具；第二種稱為“修復(fù)”，類似于現(xiàn)代搜索欄中的自動(dòng)完成功能。

其次，為加快這一過(guò)程，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種生成氨基酸序列的新算法。15日發(fā)表的論文描述了這個(gè)名為ProteinMPNN的工具，運(yùn)行時(shí)間約為1秒，比以前最好的軟件快200多倍。它不但結(jié)果優(yōu)于以前的工具，還不需要專家定制即可運(yùn)行。

第三，該團(tuán)隊(duì)使用“深度思維”公司開(kāi)發(fā)的“阿爾法折疊”來(lái)獨(dú)立評(píng)估他們提出的氨基酸序列是否可能折疊成預(yù)期的形狀。

研究人員表示，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的軟件是解決方案的一部分，但它本身無(wú)法提出任何新的東西。ProteinMPNN之于蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，就像“阿爾法折疊”之于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

在另一篇論文中，貝克實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)證實(shí)，新機(jī)器學(xué)習(xí)工具的組合能可靠地生成在實(shí)驗(yàn)室中起作用的新蛋白質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，新制造的蛋白質(zhì)更有可能按預(yù)期折疊，因此可使用這一方法創(chuàng)建非常復(fù)雜的蛋白質(zhì)組裝體?！斑@是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)中機(jī)器學(xué)習(xí)的開(kāi)端。”貝克說(shuō)。

總編輯圈點(diǎn)：

作為復(fù)雜的大分子，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究難度頗高。而人工智能的出場(chǎng)，可以大大提升蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究的效率，為生命科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們幫上大忙。幾年前推出的“阿爾法折疊”，可以利用人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，曾一度震動(dòng)生命科學(xué)界。如今，這項(xiàng)最新研究可以利用人工智能設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)，更進(jìn)一步彰顯了人工智能在生命科學(xué)領(lǐng)域的巨大潛能。