來(lái)源丨元宇宙簡(jiǎn)史

作者丨元宇宙簡(jiǎn)史主理人 Fun

【元宇宙導(dǎo)讀】美國(guó)研究人員使用人工智能來(lái)設(shè)計(jì)超越自然界的新蛋白質(zhì)。他們開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可生成具有特定結(jié)構(gòu)特征的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可用于制造具有特定機(jī)械性能（如剛度或彈性）的材料，從而取代作為原料的石油或陶瓷。研究論文發(fā)表在最新一期《化學(xué)》雜志上。

蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，它們的形狀決定了它們的功能。

然而，自然界中存在的蛋白質(zhì)并不能滿足人類所有的需求，比如制造具有特定機(jī)械性能（如剛度或彈性）的材料，從而取代作為原料的石油或陶瓷。

最近，美國(guó)研究人員使用人工智能來(lái)設(shè)計(jì)超越自然界的新蛋白質(zhì)。他們開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可生成具有特定結(jié)構(gòu)特征的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可用于制造具有特定機(jī)械性能的材料。研究論文已發(fā)表在最新一期《化學(xué)》雜志上。

設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)的過(guò)程分為兩個(gè)步驟：首先，確定想要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；其次，找到能夠折疊成該結(jié)構(gòu)的氨基酸序列。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)修改自然界中存在的蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成功率低。因此，研究人員利用了最新的AI技術(shù)，來(lái)加速和優(yōu)化這個(gè)過(guò)程。

第一個(gè)步驟是使用一種叫做ProteinMPNN的AI工具，它可以根據(jù)輸入的結(jié)構(gòu)特征（如長(zhǎng)度、寬度、曲率等），生成符合要求的蛋白質(zhì)骨架。這種工具使用了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以從大量已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)規(guī)律，并推廣到未知的結(jié)構(gòu)上。這樣，研究人員就可以設(shè)計(jì)出完全沒(méi)有自然對(duì)應(yīng)物的新穎蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；

第二個(gè)步驟是使用另一種叫做AlphaFold的AI工具，它可以根據(jù)輸入的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)能夠折疊成該結(jié)構(gòu)的氨基酸序列。這種工具也使用了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以從大量已知的氨基酸序列和對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)規(guī)律，并反向推理出最佳匹配的序列。這樣，研究人員就可以得到能夠穩(wěn)定折疊成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的新穎蛋白質(zhì)序列。

通過(guò)這兩個(gè)步驟，研究人員成功地設(shè)計(jì)了30種新蛋白質(zhì)，并在實(shí)驗(yàn)室中合成了它們。他們使用了冷凍電鏡等技術(shù)來(lái)驗(yàn)證這些蛋白質(zhì)是否與AI設(shè)計(jì)相符合，并發(fā)現(xiàn)其中27種達(dá)到了預(yù)期效果。

這些新蛋白質(zhì)包括一些具有特殊形狀和功能的類型，比如球形納米顆粒、彈性纖維、剛性棒狀物等。

這些新蛋白質(zhì)的機(jī)械性能如何呢？研究人員使用了一種叫做原子力顯微鏡的儀器，來(lái)測(cè)量這些蛋白質(zhì)的剛度和彈性。他們發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)的機(jī)械性能可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從類似于橡膠的柔軟，到類似于玻璃的堅(jiān)硬。這些機(jī)械性能主要取決于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，比如長(zhǎng)度、寬度、曲率、交聯(lián)等。通過(guò)改變這些特征，研究人員可以設(shè)計(jì)出具有不同機(jī)械性能的蛋白質(zhì)材料。

這些新蛋白質(zhì)材料有什么用途呢？研究人員表示，這些材料可以用于制造各種新型的生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)或環(huán)境應(yīng)用，比如藥物輸送、組織工程、生物傳感器、生物催化劑等。

這些材料具有一些優(yōu)點(diǎn)，比如可生物降解、可自組裝、可定制等。而且，這些材料是基于蛋白質(zhì)的，因此可以取代一些依賴于石油或陶瓷等非可再生資源的材料。

這項(xiàng)研究是AI技術(shù)在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新進(jìn)展之一，它展示了AI技術(shù)在加速和優(yōu)化蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的巨大潛力。

不僅如此，AI技術(shù)還可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中未知的蛋白質(zhì)，以及探索蛋白質(zhì)的新功能和新機(jī)制。

隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們有望在未來(lái)看到更多由AI設(shè)計(jì)的新蛋白質(zhì)和新材料，從而為人類帶來(lái)更多的福祉。