蛋白质结构预测|除了下围棋，AI还能预测“难缠”的蛋白质结构，它是怎么做到的？
在2020年各种重大科学新闻评选中，“人工智能预测蛋白质三维结构”是上榜率很高的一项内容 。50年来，科学家们一直在努力解决生物学最大的挑战之一——预测一串氨基酸在变成工作蛋白质时折叠成的精确三维形状 。2020年，他们通过一款人工智能程序，实现了这一目标 。那么，这个工作的意义是什么？人工智能又是如何做到这一点的？
【蛋白质结构预测|除了下围棋，AI还能预测“难缠”的蛋白质结构，它是怎么做到的？】
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蚓激酶蛋白质三维结构示意图 新华社发
1 困扰科学家近50年的难题
我们的生命离不开蛋白质 。蛋白质是一切生命活动的基础物质，它是运输氧气的载体，是帮助抵御病毒的抗体，也是消化食物的酶 。蛋白质之所以能够承担多种多样的功能，很大程度上是因为它们具有丰富而复杂的空间结构 。
可是，蛋白质如何折叠成这些独特的形状呢？这是生物学领域的一个重大挑战，已经困扰科学家们近50年时间 。而就在最近，英国DeepMind公司研究人员创建的人工智能系统AlphaFold将蛋白质结构预测的准确度提高到了原子水平，可以说基本解决了这个“蛋白质折叠问题” 。这比许多科学家的预期要早了几十年，显示出人工智能对解决重大科学问题的潜力 。
蛋白质占据我们每个人体重的大约20%，是除水分（60%）以外第二多的物质种类，其它的脂质、碳水化合物、核酸以及各种无机物加起来，也仅仅占到20% 。蛋白质在人体中含量如此之高并不奇怪，因为蛋白质是生命活动的主要承担者，没有蛋白质就没有生命 。
人类的生命活动须臾都离不开蛋白质的参与 。无论是身体收缩肌肉、眼睛感知光亮，还是消化系统将食物转化为能量，我们身体的每一项功能之所以能够正常运转，几乎都依赖于蛋白质 。
目前地球上已知的蛋白质大约有两亿种，每一种蛋白质都有独特的空间结构 。蛋白质在生物体中能够发挥多种多样的功能，很大程度上取决于它们的三维结构 。
例如，我们免疫系统中的抗体蛋白是“Y”形的，并且会形成独特的钩状，这使得它们能够附着在病毒和细菌上，检测和标记致病微生物，将其彻底消灭 。胶原蛋白的形状像拧起来的绳索，因而能够在软骨、韧带、骨骼和皮肤之间传递张力 。还有在被称为“基因魔剪”的CRISPR-Cas9基因编辑技术中，Cas9蛋白质利用CRISPR基因序列作为向导，像剪刀一样灵巧地剪切和粘贴DNA片段 。
然而，确定蛋白质的空间结构一直是生物学中的巨大挑战 。1972年，也就是将近50年前，诺贝尔化学奖得主克里斯蒂安·安芬森就猜测，蛋白质的氨基酸序列应该可以完全决定其空间结构 。可是要如何根据蛋白质的氨基酸序列来确定它的空间结构呢？这就是困扰科学家们近50年的“蛋白质折叠问题” 。
2 蛋白质如何将自己折叠起来
蛋白质就像是一台精心组装的机器，它的零件是我们身体内的20种氨基酸 。在基因编码合成氨基酸序列的过程中，一个个氨基酸分子遵照基因序列中蕴含的遗传信息指令，像珠子一样有序缀连起来，形成多肽链，构成蛋白质的一级结构 。
然而，通常的机器只要按照设计图将零件组装起来就可以运转，而氨基酸分子连接成多肽链后，蛋白质分子的建造还没有结束，它还需要进一步折叠出空间结构才能发挥功能 。可是基因序列只决定氨基酸序列的合成，并不包含更多信息指导它如何折叠成独特的三维结构 。
事实上，氨基酸序列的折叠方式蕴含在自身之中，它们自己设计自己如何折叠 。一级多肽链中的氨基酸分子像是懂得彼此沟通一样，它们有些相互排斥，有些彼此吸引，形成螺旋、折叠成褶皱，构成蛋白质的二级结构 。接着，它还会进一步折叠成独特的空间结构，像一根毛线绕成线团那样，构成蛋白质的三级结构 。
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