新技术助力生命科学研究

【新闻解读】

作者：张天侃？ （科学作家）

新技术应用于生命科学带来新机遇。日前，英国《自然》杂志和美国《科学》杂志同时公布了人工智能软件快速准确测序蛋白质结构的结果——两款新的人工智能系统已经公布，可以准确预测蛋白质结构，它们是英国的depth Alpha Fold 2（Alpha Fold 2）由 Deep Mind 开发，来自华盛顿大学蛋白质设计研究所 David Baker 教授研究小组的 Rose TAFold。

这很容易让人想起阿尔法围棋。阿尔法狗的出名是因为它连续击败了世界上许多顶级棋手，并获得了公众的关注。正因如此，打败人类智能的阿尔法狗被视为人工智能的重要成果。其实相比阿尔法狗，阿尔法折叠2和玫瑰折叠并不出名，但它们的存在价值对人类来说更有意义。

作为AI软件，Alpha Fold 2和Rose Fold最适合快速准确地确定蛋白质的形状，尤其是3D形状。我们知道，生命的本质是蛋白质，蛋白质是由氨基酸按一定顺序组合而成的多肽链，以无数种方式折叠成各种精致的形状，完成各种功能。并发挥重要作用。

人类蛋白质有数千种，其他物种的蛋白质多达数十亿种，包括来自细菌和病毒的蛋白质。过去，人类只能使用冷冻电子显微镜（CryoEM）、核磁共振（MR）和X射线晶体学来确定蛋白质的结构，经过大量的试错才能最终确定其结构。即便如此，某些蛋白质的结构仍无法检测。例如，在蛋白质数据库（PDB）中，有 4 种蛋白质是 MR 无法确定的，包括牛甘氨酸 N-酰基转移酶、细菌氧化还原酶、细菌表面层蛋白（SLP）和来自真菌 Phanerochaete Chrysosporium 的分泌蛋白。

为什么蛋白质结构如此重要？原因之一是大量的疾病与蛋白质的折叠形状有着千丝万缕的联系。例如，新型冠状病毒刺突蛋白（S蛋白）的折叠形式决定了其入侵人体细胞的速度和致病性，朊病毒蛋白的折叠形式决定了包括人类在内的哺乳动物发生传染性海绵状脑病的风险。致病性和致死性。不幸的是，尽管人类已经对人类和其他物种的数十亿种蛋白质的氨基酸序列进行了测序，但迄今为止，仅通过实验解决了大约 100,000 种蛋白质结构。

理论上，蛋白质可以从一维到三维以无数种方式折叠。了解和准确确定一种蛋白质的构型需要大量的时间和精力，而且可能不准确，也会给药物和疫苗的开发和疾病治疗带来困难。比如现在的新冠肺炎，虽然有疫苗，但是病毒蛋白会经常发生变异。如果不能及时准确地识别突变结构，就很难研制出新的疫苗。迄今为止，尚无治疗新冠肺炎的有效药物，原因之一是对病毒蛋白结构的认识不清。

在这种情况下，让AI帮助人们理解和准确判断蛋白质的结构意义重大，也非常实用。以 Alpha Fold 2 为例。它测量的大多数蛋白质的结构非常准确。它不仅与实验方法测量的蛋白质结构一样准确，而且在分析新蛋白质结构方面也远优于其他方法。由 α-fold 2 确定形成蛋白质骨架骨架的叠加原子之间的中值距离（95% 覆盖率）为 0.96 埃（0.096 纳米），而排名第二的方法只能达到 2.8 埃的精度。花费。玫瑰褶皱是一个“三轨”神经网络，可以考虑蛋白质序列模式、氨基酸如何相互作用以及蛋白质的三维结构。在这个模板中，蛋白质信息在一维（氨基酸序列）、二维（距离）和三维（坐标）之间来回流动，从而推断蛋白质的化学部分与折叠结构之间的关系。可以说，有了Alpha Fold 2和Rose Fold，蛋白质结构的确定就容易多了，也为揭示生命现象和本质，以及开发无数的药物、疫苗和疗法提供了尖端武器。对抗疾病。

我们相信，随着时间的推移，会有更多新的科学方法和新的实验方法投入使用，将极大地推动生命科学的进步。

《光明日报》（2021-16年7月29日版）

来源：光明日报-《光明日报》

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