DeepMind劃時代杰作！AlphaFold蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測擊敗人類奪冠

　　11月2日，在墨西哥坎昆舉行的第13屆全球蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測競賽(Critical Assessment of protein Structure Prediction，CASP)上。組織者宣布，DeepMind 的最新人工智能程序 ——AlphaFold 在一項極其困難的任務(wù)中擊敗了所有對手，成功預(yù)測生命基本分子——蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。

　　作為一項基礎(chǔ)技術(shù)，DeepMind在自己博客中，將AlphaFold 稱為在展示人工智能研究推動和加速新科學發(fā)現(xiàn)方面的“第一個重要里程碑”。

　　通過跨學科方法，DeepMind匯集了來自結(jié)構(gòu)生物學，物理學和機器學習領(lǐng)域的專家，以應(yīng)用尖端技術(shù)，僅根據(jù)其基因序列預(yù)測蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)。

　　在獲悉這一劃時代的技術(shù)性突破后，動脈網(wǎng)試圖通過以下邏輯，還原DeepMind再次戰(zhàn)勝人類模型的“里程碑”事件，以及DeepMind在醫(yī)療領(lǐng)域所做的探索。

　　1. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的劃時代意義

　　2. DeepMind憑借什么奪冠

　　3. AI算法將漫長費力的預(yù)測過程縮短至幾小時

　　4. DeepMind的AI落地將給醫(yī)學帶來多少顛覆

　　曾獲得諾貝爾獎的科學難題

　　蛋白質(zhì)是維持生命所必需的大而復(fù)雜的分子。幾乎我們身體所執(zhí)行的所有功能 ： 收縮肌肉、感知光線或?qū)⑹澄镛D(zhuǎn)化為能量， 都可以追溯到一種或多種蛋白質(zhì)以及它們?nèi)绾我苿雍妥兓?。這些蛋白質(zhì)的配方， 稱為基因。

　　任何給定的蛋白質(zhì)可以做什么取決于其獨特的3D結(jié)構(gòu)。例如，構(gòu)成我們免疫系統(tǒng)的抗體蛋白質(zhì)是“Y形”的，并且類似于獨特的鉤子。通過鎖定病毒和細菌，抗體蛋白能夠檢測和標記引起疾病的微生物以進行消滅。

　　類似地，膠原蛋白的形狀像繩索，其在軟骨，韌帶，骨骼和皮膚之間傳遞張力。其他類型的蛋白質(zhì)包括CRISPR和Cas9，它們像剪刀一樣起作用，切割和粘貼DNA;抗凍蛋白，其3D結(jié)構(gòu)允許它們結(jié)合冰晶并防止生物凍結(jié);核糖體就像一個程序化的裝配線，幫助自己構(gòu)建蛋白質(zhì)。

　　但是純粹從其基因序列中找出蛋白質(zhì)的三維形狀是一項復(fù)雜的任務(wù)，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十年的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)在于DNA僅包含有關(guān)蛋白質(zhì)構(gòu)建塊序列的信息，稱為氨基酸殘基，形成長鏈。預(yù)測這些鏈如何折疊成蛋白質(zhì)的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)就是所謂的“蛋白質(zhì)折疊問題”。

　　預(yù)測蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)模型示意(圖片來源：DeepMind官網(wǎng))

　　“蛋白質(zhì)折疊”是一種令人難以置信的分子折疊形式，科學界以外很少有人討論，但卻是一個非常重要的問題。生物由蛋白質(zhì)構(gòu)成，生物體功能由蛋白質(zhì)形狀決定。理解蛋白質(zhì)的折疊方式可以幫助研究人員走進科學和醫(yī)學研究的新紀元。

　　因此，蛋白質(zhì)折疊(Protein Folding)問題被列為“21世紀的生物物理學”的重要課題，它是分子生物學中心法則尚未解決的一個重大生物學問題。蛋白質(zhì)可在短時間中從一級結(jié)構(gòu)折疊至立體結(jié)構(gòu)，研究者卻無法在短時間中從氨基酸序列計算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至無法得到準確的三維結(jié)構(gòu)。

　　美國NIH的Christian Anfinsen博士因為發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)不需要其他幫助就可以自發(fā)地完成蛋白質(zhì)折疊的過程，于1972年獲得了諾貝爾化學獎。

　　DeepMind的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Demis Hassabis說：“對DeepMind來說，這是一個非常關(guān)鍵的時刻，這是一個‘燈塔’項目，是我們在人員和資源方面的第一項重大投資，同時也是正在成為一個基本的、非常重要的、現(xiàn)實世界的科學問題?！?/p>

　　早在2017年，美國科羅拉多大學“JILA物理研究中心”的生物物理學家們通過更細致地測量了蛋白質(zhì)折疊后發(fā)現(xiàn)，其折疊過程比科學家們曾經(jīng)的預(yù)測更為復(fù)雜。這意味著，有關(guān)蛋白質(zhì)，我們的了解程度尚在皮毛。

　　蛋白質(zhì)分子的基本組成是氨基酸鏈。通過一系列中間過程，像折紙一樣，氨基酸鏈折疊成三維結(jié)構(gòu)，之后才具有功能。準確地描述這個折疊過程，需要已知所有中間狀態(tài)的形態(tài)。最新研究就揭示這個過程中許多未知的狀態(tài)，這一研究成果公布在3月3日的Science雜志上。