他們用AI破譯蛋白質結構“密碼”

　　◎本報記者 劉 霞

　　10月9日，瑞典皇家科學院揭曉了2024年諾貝爾化學獎的歸屬。美國華盛頓大學科學家戴維·貝克因在蛋白質設計方面的貢獻，榮獲該獎項一半的獎金；另一半獎金則由谷歌“深度思維”公司創始人、英國科學家德米斯·哈薩比斯和該公司美國科學家約翰·江珀共享，以表彰他們在蛋白質結構預測方面的成就。

　　諾貝爾化學獎委員會主席海納·林克指出，今年的諾貝爾化學獎如同“雙花并蒂”，他們一方面用計算軟件構建出全新蛋白質結構，另一方面則基于氨基酸序列開發出名叫“阿爾法折疊2”的人工智能（AI）模型，實現對蛋白質復雜結構的預測。這兩項科學突破攜手開辟出巨大的可能性。

　　從頭設計全新蛋白質

　　2024年諾貝爾化學獎“花落”蛋白質，是因為蛋白質對生命至關重要。沒有蛋白質，生命就不可能存在。

　　蛋白質如同生命體內的“能工巧匠”，以其獨特的化學能力，編織出生命的多樣性與復雜性。它們掌控并驅動生命體內所有的化學反應，這些反應共同構筑了生命的宏偉藍圖。同時，蛋白質可謂“千面女郎”，扮演著激素、信號物質、抗體以及身體組織構建者等多種角色。

　　蛋白質通常由20種不同的氨基酸組成，這些氨基酸如同組成生命的“積木”。2003年，貝克利用氨基酸“積木”，成功創造出一種前所未有的新蛋白質，開啟了構建蛋白質的大門。構建全新蛋白質，被稱為“從頭設計”。而貝克團隊構建氨基酸“積木”的功臣，是他們開發的名為Rosetta的計算軟件。他們首先繪制了一種全新結構的目標蛋白質，然后從已知結構的蛋白質數據庫中尋找與目標結構相似的短蛋白質片段；隨后，Rosetta利用蛋白質能量圖的基本知識，優化這些片段，給出了最終的氨基酸序列。

　　此后，貝克研究小組不斷發揮創意，創造出一系列富有想象力的蛋白質。這些蛋白質正在藥物、疫苗、納米材料和微型傳感器等多個領域“大展拳腳”。

　　為預測蛋白質結構，貝克團隊2021年開發出“Rosetta折疊”模型，并被《科學》雜志評為2021年年度突破。2023年，基于“Rosetta折疊”的深度學習模型“RFdiffusion”問世。該模型能測試擁有不同結構元素的設計組合，并從頭開始產生蛋白質。該模型還能執行不同的任務，設計氨基酸、寡聚體（多亞基聚體）、有治療或工業應用前景的復雜結構。

　　精準預測蛋白質結構

　　在蛋白質的世界里，氨基酸以長鏈的形式相連，折疊成復雜的三維結構，賦予蛋白質重要功能。

　　自20世紀70年代以來，科學家一直致力于根據氨基酸序列預測蛋白質結構，但這是一項極其艱巨的任務。因為有些氨基酸和其他氨基酸相互作用，有些氨基酸則具有疏水性。而且氨基酸鏈形成了復雜的形狀，使精準確定蛋白質結構難上加難。

　　AI模型“阿爾法折疊2”的橫空出世，為解決這一縈繞在科學家心頭50年的難題帶來轉機。

　　2020年，哈薩比斯和江珀研制出“阿爾法折疊2”。在該模型的幫助下，科學家們已能預測2億多種蛋白質的結構。

　　自問世以來，“阿爾法折疊2”得到190個國家和地區200多萬研究人員的應用。有了這一模型，研究人員能夠更深入地研究抗生素的耐藥性，并設計出能分解塑料的酶。

　　今年5月，“深度思維”推出了“阿爾法折疊3”模型，用來幫助科學家更精確地針對疾病機制開發更有效藥物。“阿爾法折疊3”能夠更準確預測不同大分子之間復合物的結構，以及大分子、小分子和離子之間的相互作用。

　　能夠預測蛋白質結構并設計全新蛋白質，是科學賜予人類最美好的禮物之一。

　　（科技日報北京10月9日電）