原標(biāo)題：他們用AI破譯蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)“密碼”

10月9日，瑞典皇家科學(xué)院揭曉了2024年諾貝爾化學(xué)獎的歸屬。美國華盛頓大學(xué)科學(xué)家戴維·貝克因在蛋白質(zhì)設(shè)計方面的貢獻(xiàn)，榮獲該獎項(xiàng)一半的獎金；另一半獎金則由谷歌“深度思維”公司創(chuàng)始人、英國科學(xué)家德米斯·哈薩比斯和該公司美國科學(xué)家約翰·江珀共享，以表彰他們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方面的成就。

諾貝爾化學(xué)獎委員會主席海納·林克指出，今年的諾貝爾化學(xué)獎如同“雙花并蒂”，他們一方面用計算軟件構(gòu)建出全新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，另一方面則基于氨基酸序列開發(fā)出名叫“阿爾法折疊2”的人工智能（AI）模型，實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的預(yù)測。這兩項(xiàng)科學(xué)突破攜手開辟出巨大的可能性。

從頭設(shè)計全新蛋白質(zhì)

2024年諾貝爾化學(xué)獎“花落”蛋白質(zhì)，是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)對生命至關(guān)重要。沒有蛋白質(zhì)，生命就不可能存在。

蛋白質(zhì)如同生命體內(nèi)的“能工巧匠”，以其獨(dú)特的化學(xué)能力，編織出生命的多樣性與復(fù)雜性。它們掌控并驅(qū)動生命體內(nèi)所有的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)共同構(gòu)筑了生命的宏偉藍(lán)圖。同時，蛋白質(zhì)可謂“千面女郎”，扮演著激素、信號物質(zhì)、抗體以及身體組織構(gòu)建者等多種角色。

蛋白質(zhì)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(chuàng)造出一種前所未有的新蛋白質(zhì)，開啟了構(gòu)建蛋白質(zhì)的大門。構(gòu)建全新蛋白質(zhì)，被稱為“從頭設(shè)計”。而貝克團(tuán)隊構(gòu)建氨基酸“積木”的功臣，是他們開發(fā)的名為Rosetta的計算軟件。他們首先繪制了一種全新結(jié)構(gòu)的目標(biāo)蛋白質(zhì)，然后從已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中尋找與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相似的短蛋白質(zhì)片段；隨后，Rosetta利用蛋白質(zhì)能量圖的基本知識，優(yōu)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(fā)揮創(chuàng)意，創(chuàng)造出一系列富有想象力的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)正在藥物、疫苗、納米材料和微型傳感器等多個領(lǐng)域“大展拳腳”。

為預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，貝克團(tuán)隊2021年開發(fā)出“Rosetta折疊”模型，并被《科學(xué)》雜志評為2021年年度突破。2023年，基于“Rosetta折疊”的深度學(xué)習(xí)模型“RFdiffusion”問世。該模型能測試擁有不同結(jié)構(gòu)元素的設(shè)計組合，并從頭開始產(chǎn)生蛋白質(zhì)。該模型還能執(zhí)行不同的任務(wù)，設(shè)計氨基酸、寡聚體（多亞基聚體）、有治療或工業(yè)應(yīng)用前景的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

精準(zhǔn)預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

在蛋白質(zhì)的世界里，氨基酸以長鏈的形式相連，折疊成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，賦予蛋白質(zhì)重要功能。

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家一直致力于根據(jù)氨基酸序列預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，但這是一項(xiàng)極其艱巨的任務(wù)。因?yàn)橛行┌被岷推渌被嵯嗷プ饔茫行┌被釀t具有疏水性。而且氨基酸鏈形成了復(fù)雜的形狀，使精準(zhǔn)確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xué)家心頭50年的難題帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

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(xué)家們已能預(yù)測2億多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

自問世以來，“阿爾法折疊2”得到190個國家和地區(qū)200多萬研究人員的應(yīng)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(shè)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(xué)家更精確地針對疾病機(jī)制開發(fā)更有效藥物。“阿爾法折疊3”能夠更準(zhǔn)確預(yù)測不同大分子之間復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，以及大分子、小分子和離子之間的相互作用。

能夠預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并設(shè)計全新蛋白質(zhì)，是科學(xué)賜予人類最美好的禮物之一。（記者 劉 霞）