| 2020 年世界十大科技進(jìn)展新聞 |
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| 人工智能首次成功解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) |
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圖中藍(lán)色為計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，綠
色為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，二者相似度非常高。
生物學(xué)界最大的挑戰(zhàn)之一——蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)解析如今有望被破解。谷歌旗下人工智能公司DeepMind開發(fā)的深度學(xué)習(xí)程序AlphaFold能夠精確預(yù)測(cè)其三維形狀。
蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，其工作方式和作用取決于它的高級(jí)結(jié)構(gòu)，即“結(jié)構(gòu)即功能”，它傾向于僅在受物理定律的指導(dǎo)下形成相應(yīng)結(jié)構(gòu)。
幾十年來，實(shí)驗(yàn)室一直是解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要途徑。從20世紀(jì)50年代開始，利用X單晶衍射法首次確定了蛋白質(zhì)的完整結(jié)構(gòu)。在過去的十年中，冷凍電鏡已經(jīng)成為許多結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室所青睞的技術(shù)。
長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直想知道一級(jí)的氨基酸序列是如何折疊成各種構(gòu)型的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)80年代和90年代，就有利用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的嘗試，但是最終結(jié)果都不理想。
2020年11月30日，在蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)賽CASP上，英國DeepMind公司研究人員創(chuàng)建的AlphaFold程序在百余支隊(duì)伍中脫穎而出。AlphaFold程序在比賽中的中位分?jǐn)?shù)達(dá)92.4（滿分100分，90分以上被認(rèn)為預(yù)測(cè)方法可與實(shí)驗(yàn)方法相媲美），預(yù)測(cè)最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的平均得分為87，比最接近它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手領(lǐng)先了25分。
將深度學(xué)習(xí)與張力控制算法結(jié)合，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和遺傳數(shù)據(jù)，該深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)利用目前已知的17萬種解析完畢的蛋白質(zhì)進(jìn)行了訓(xùn)練�，F(xiàn)階段AlphaFold系統(tǒng)可能需要幾天的時(shí)間才能得出預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)，其中包括對(duì)蛋白質(zhì)不同區(qū)域可靠性的評(píng)估。DeepMind有關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，還將繼續(xù)對(duì)AlphaFold展開訓(xùn)練，以便更好地解析更復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
AlphaFold目前雖不太可能取代冷凍電鏡等相關(guān)解析蛋白結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)手段，但它的出現(xiàn)意味著，生物學(xué)家們可以將計(jì)算方法預(yù)測(cè)蛋白結(jié)構(gòu)作為科學(xué)研究的工具之一。另外，在現(xiàn)有的繁雜的基因組數(shù)據(jù)中，新一代分子生物學(xué)家如何針對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為蛋白結(jié)構(gòu)解析提供幫助，是AI技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展中的難題�！�
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2021年2月增刊 聚焦)