改造蛋白質(zhì)創(chuàng)造高效生物工具

目前已經(jīng)投入應(yīng)用的AI蛋白質(zhì)模型，學(xué)習(xí)了海量專業(yè)、復(fù)雜的多模態(tài)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求來(lái)分析、改造蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，或者“定制”功能性蛋白質(zhì)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)，可以簡(jiǎn)化天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，只保留某些“功能位點(diǎn)”；也可以根據(jù)特定的需求直接設(shè)計(jì)出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)，創(chuàng)造出高效的生物工具，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

分析蛋白質(zhì)特征實(shí)現(xiàn)疾病預(yù)警

AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療衛(wèi)生。葛蘭素史克公司，英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、劍橋大學(xué)和德國(guó)夏里特醫(yī)學(xué)院柏林健康研究所聯(lián)合開(kāi)展了一個(gè)國(guó)際研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目是迄今為止規(guī)模最大的蛋白質(zhì)組學(xué)研究。研究團(tuán)隊(duì)利用AI檢測(cè)了從英國(guó)生物信息庫(kù)中隨機(jī)選出的，由4萬(wàn)多名參與者提供的血漿蛋白，并將檢測(cè)信息與參與者的電子健康記錄進(jìn)行了對(duì)比。

這項(xiàng)研究的核心內(nèi)容是使用先進(jìn)的AI技術(shù)，將疾病類型與蛋白質(zhì)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)一滴血液中的數(shù)千種蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，可以預(yù)測(cè)多種疾病的發(fā)生。

研究報(bào)告顯示，利用蛋白質(zhì)特征能夠預(yù)測(cè)67種疾病，包括多發(fā)性骨髓瘤、非霍奇金淋巴瘤、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、肺纖維化和擴(kuò)張型心肌病等。蛋白質(zhì)特征預(yù)測(cè)模型的表現(xiàn)優(yōu)于以標(biāo)準(zhǔn)臨床記錄為基礎(chǔ)的疾病預(yù)測(cè)模型。在大多數(shù)情況下，基于血細(xì)胞計(jì)數(shù)、膽固醇、腎功能和糖尿病測(cè)試的臨床診斷的準(zhǔn)確性，不及蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)模型。

該研究團(tuán)隊(duì)表示，AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)具有篩查功能，通過(guò)分析蛋白質(zhì)的特征，可以針對(duì)多種疾病提供早期檢測(cè)服務(wù)，還能起到改善預(yù)后的作用。對(duì)于多發(fā)性骨髓瘤和特發(fā)性肺纖維化等較為嚴(yán)重的疾病，這種方法也是有效的。

預(yù)測(cè)人們未來(lái)的患病風(fēng)險(xiǎn)，能夠挽救成千上萬(wàn)的生命。但是，如何預(yù)測(cè)，如何保證準(zhǔn)確度，一直都是醫(yī)學(xué)界面臨的難題。另外，藥物開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn)之一，是確定可能從新藥的使用中受益的患者群體。

上述蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)可用于識(shí)別多種疾病的高風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體。除了常見(jiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)疾病，它還能預(yù)測(cè)罕見(jiàn)病——這些疾病可能需要數(shù)月甚至數(shù)年才能在臨床上被診斷出來(lái)。

龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)和精準(zhǔn)的AI蛋白質(zhì)特征分析方法，可以不斷加深人們對(duì)生物學(xué)和疾病的理解。在創(chuàng)新藥研發(fā)領(lǐng)域，AI可針對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、特征等進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。例如，AI設(shè)計(jì)的細(xì)胞因子管線（一種蛋白質(zhì)），能夠?qū)⒛[瘤細(xì)胞的活性降低到數(shù)百分之一。

人造生物工具凈化水資源

日本京都大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)近日發(fā)布報(bào)告稱，他們研發(fā)出一種新型生物工具，即人造蛋白質(zhì)，能有選擇性地捕捉水中的大量有毒重金屬離子，從而凈化水資源。

據(jù)研究人員介紹，目前常用的凈水材料主要依靠其顆粒上的小孔吸附有害離子，或者通過(guò)材料中的離子和水中的AeqsF1c8NM3suSgT3OZ5YYhOmKGankkuWPgm9i0IjNc=離子相交換來(lái)實(shí)現(xiàn)凈化。但是，這些凈水材料通常很難兼顧凈化效率以及有選擇性地清除目標(biāo)離子。也就是說(shuō)，凈化效率高的材料難以定點(diǎn)清除有害離子。

有研究發(fā)現(xiàn)，一些動(dòng)植物體內(nèi)的某些蛋白質(zhì)，能夠有選擇性地與特定的重金屬離子相結(jié)合，再把它們排出體外，從而保護(hù)動(dòng)植物自身免受重金屬離子的毒害。比如，有些植物會(huì)利用細(xì)胞內(nèi)的螯合肽，有選擇性地捕捉根部吸收的地下水中包含的鎘等重金屬離子，并把它們封閉在液泡中，最終排出體外。

研究人員受此啟發(fā)，利用AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種合成蛋白質(zhì)，它擁有與植物螯合肽相同的官能團(tuán)，從而能夠與重金屬離子緊密結(jié)合。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種蛋白質(zhì)與鎘離子相結(jié)合的能力，超過(guò)天然的植物螯合肽。

該研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了人造蛋白質(zhì)的超高集成，即將蛋白質(zhì)分子聚合在一起，使其捕捉有害離子的效率大幅提升。在對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行的凈化實(shí)驗(yàn)中，3毫升超高集成蛋白質(zhì)，可在一小時(shí)內(nèi)將300毫升廢水中的鎘離子全部清除，使其符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

兩個(gè)新的應(yīng)用方向

在AI技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，生物制造領(lǐng)域的革命已經(jīng)悄然到來(lái)。其一個(gè)重要標(biāo)志是：延續(xù)了數(shù)十億年的蛋白質(zhì)進(jìn)化模式發(fā)生了質(zhì)的改變：不再是緩慢、充滿不確定性的隨機(jī)突變，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榛谔囟üδ艿膭?chuàng)新式“定制”。

據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，除了前文介紹的疾病預(yù)測(cè)和水資源凈化，AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，目前有兩個(gè)新的應(yīng)用方向。

一是極端環(huán)境下蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性優(yōu)化。酶、疫苗等蛋白質(zhì)產(chǎn)品大多需要在特定條件下保存和使用。在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等極端環(huán)境下，蛋白質(zhì)極易失去活性或改變性質(zhì)?；贏I技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)，可以分析蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性之間的復(fù)雜關(guān)系，并通過(guò)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性參數(shù)，如溶解溫度、折疊自由度等，精準(zhǔn)定位蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，借助AI算法，可以在不顯著改變蛋白質(zhì)活性的前提下，提升其對(duì)溫度、pH值、有機(jī)溶劑等環(huán)境因素的耐受性，從而得到穩(wěn)定性更強(qiáng)的蛋白質(zhì)。這有助于將蛋白質(zhì)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。

二是酶活性優(yōu)化。酶作為生物催化劑，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛。通過(guò)AI蛋白質(zhì)改造技術(shù)和量子化學(xué)計(jì)算，可以精準(zhǔn)測(cè)定酶的活性中心及催化機(jī)制。在這些信息的指導(dǎo)下，科研人員能設(shè)計(jì)出活性更高、選擇性更強(qiáng)的酶，并全面優(yōu)化酶的催化性能，助力生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com