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蛋白質結構預測|除了下圍棋，AI還能預測“難纏”的蛋白質結構，它是怎么做到的？

在2020年各種重大科學新聞評選中，“人工智能預測蛋白質三維結構”是上榜率很高的一項內容 。50年來，科學家們一直在努力解決生物學最大的挑戰之一——預測一串氨基酸在變成工作蛋白質時折疊成的精確三維形狀 。2020年，他們通過一款人工智能程序，實現了這一目標 。那么，這個工作的意義是什么？人工智能又是如何做到這一點的？
【蛋白質結構預測|除了下圍棋，AI還能預測“難纏”的蛋白質結構，它是怎么做到的？】
蛋白質結構預測|除了下圍棋，AI還能預測“難纏”的蛋白質結構，它是怎么做到的？
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蚓激酶蛋白質三維結構示意圖 新華社發
1 困擾科學家近50年的難題
我們的生命離不開蛋白質 。蛋白質是一切生命活動的基礎物質，它是運輸氧氣的載體，是幫助抵御病毒的抗體，也是消化食物的酶 。蛋白質之所以能夠承擔多種多樣的功能，很大程度上是因為它們具有豐富而復雜的空間結構 。
可是，蛋白質如何折疊成這些獨特的形狀呢？這是生物學領域的一個重大挑戰，已經困擾科學家們近50年時間 。而就在最近，英國DeepMind公司研究人員創建的人工智能系統AlphaFold將蛋白質結構預測的準確度提高到了原子水平，可以說基本解決了這個“蛋白質折疊問題” 。這比許多科學家的預期要早了幾十年，顯示出人工智能對解決重大科學問題的潛力 。
蛋白質占據我們每個人體重的大約20%，是除水分（60%）以外第二多的物質種類，其它的脂質、碳水化合物、核酸以及各種無機物加起來，也僅僅占到20% 。蛋白質在人體中含量如此之高并不奇怪，因為蛋白質是生命活動的主要承擔者，沒有蛋白質就沒有生命 。
人類的生命活動須臾都離不開蛋白質的參與 。無論是身體收縮肌肉、眼睛感知光亮，還是消化系統將食物轉化為能量，我們身體的每一項功能之所以能夠正常運轉，幾乎都依賴于蛋白質 。
目前地球上已知的蛋白質大約有兩億種，每一種蛋白質都有獨特的空間結構 。蛋白質在生物體中能夠發揮多種多樣的功能，很大程度上取決于它們的三維結構 。
例如，我們免疫系統中的抗體蛋白是“Y”形的，并且會形成獨特的鉤狀，這使得它們能夠附著在病毒和細菌上，檢測和標記致病微生物，將其徹底消滅 。膠原蛋白的形狀像擰起來的繩索，因而能夠在軟骨、韌帶、骨骼和皮膚之間傳遞張力 。還有在被稱為“基因魔剪”的CRISPR-Cas9基因編輯技術中，Cas9蛋白質利用CRISPR基因序列作為向導，像剪刀一樣靈巧地剪切和粘貼DNA片段 。
然而，確定蛋白質的空間結構一直是生物學中的巨大挑戰 。1972年，也就是將近50年前，諾貝爾化學獎得主克里斯蒂安·安芬森就猜測，蛋白質的氨基酸序列應該可以完全決定其空間結構 ?？墒且绾胃鶕鞍踪|的氨基酸序列來確定它的空間結構呢？這就是困擾科學家們近50年的“蛋白質折疊問題” 。
2 蛋白質如何將自己折疊起來
蛋白質就像是一臺精心組裝的機器，它的零件是我們身體內的20種氨基酸 。在基因編碼合成氨基酸序列的過程中，一個個氨基酸分子遵照基因序列中蘊含的遺傳信息指令，像珠子一樣有序綴連起來，形成多肽鏈，構成蛋白質的一級結構 。
然而，通常的機器只要按照設計圖將零件組裝起來就可以運轉，而氨基酸分子連接成多肽鏈后，蛋白質分子的建造還沒有結束，它還需要進一步折疊出空間結構才能發揮功能 ?？墒腔蛐蛄兄粵Q定氨基酸序列的合成，并不包含更多信息指導它如何折疊成獨特的三維結構 。
事實上，氨基酸序列的折疊方式蘊含在自身之中，它們自己設計自己如何折疊 。一級多肽鏈中的氨基酸分子像是懂得彼此溝通一樣，它們有些相互排斥，有些彼此吸引，形成螺旋、折疊成褶皺，構成蛋白質的二級結構 。接著，它還會進一步折疊成獨特的空間結構，像一根毛線繞成線團那樣，構成蛋白質的三級結構 。

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