2023年「科学突破奖」揭晓：AI蛋白质结构预测、嗜睡症病因与疗法、细胞中的相态分离机制

2022 年 9 月 22 日，被称为“科学奥斯卡”的科学突破奖宣布了 2023 年获奖名单，以表彰在基础物理学、生命科学和数学领域有卓越发现的世界顶尖科学家。早期职业科学家的重要贡献也得到了认可，六个物理和数学新视野奖和三个 Maryam Mirzakhani 新前沿奖授予了最近完成博士学位的女性数学家。

突破奖由 Sergey Brin、Priscilla Chan 和 Mark Zuckerberg、Julia 和 Yuri Milner 以及 Anne Wojcicki 共同创立并由他们建立的基金会赞助。获奖者由各领域历届突破奖获得者组成的评选委员会选出。每个奖项的奖金为 300 万美元。

今年的的三个生命科学突破奖奖项分别授予了：发现了细胞组织的新机制的 和 ；开发了用于准确预测蛋白质结构 AlphaFold 的 和 ；发现了嗜睡症病因的 和 。

▲图 | Clifford P. Brangwynne 和 Anthony A. Hyman（右）

来自普林斯顿大学霍华德休斯医学研究所和海洋生物实验室， 来自马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所。他们发现了 由蛋白质和RNA相分离成无膜液滴介导的细胞组织的基本机制。

直到最近，人们还认为细胞中的大部分工作都在细胞器（由膜包裹的细胞亚基）中进行。但 和 发现了一种全新的物理现象： 没有膜的情况下，蛋白质和其他生物分子之间的细胞相互作用也可以集中发生。

他们描述了通过相态分离快速形成的动态液体状液滴（类似于在水中形成的油滴）会产生临时结构，免受水样细胞内部分子混乱的影响。自发现以来，他们和其他人已经表明，这些无膜液体凝聚物在许多细胞过程中发挥作用，包括信号传导、细胞分裂、细胞核仁在细胞核中的嵌套结构以及 DNA 的调节。该发现是对于细胞组织进行探索了解的基本进展， 为包括 ALS 等神经退行性疾病的临床应用带来可能性。

▲图 | Demis Hassabis 和 John Jumper（右）

和 都来自 DeepMind，他们开发了一种 深度学习方法，该方法可快速准确地从氨基酸序列中预测蛋白质的三维结构。

在生命科学领域， 和 是 AlphaFold 2 背后的领导者，AlphaFold 2 是一个人工智能系统，在很大程度上解决了蛋白质结构预测问题——这是生物学中最大的挑战之一。蛋白质是细胞赖以正常运转的纳米级“机器”，从氨基酸序列预测其 3D 结构是理解生命运作的核心。

获奖者同 的团队一起构思并构建了一个深度学习系统，可以准确、快速地模拟蛋白质的结构。AlphaFold 已经在生命科学领域产生了革命性的影响：今年夏天， DeepMind 将 2 亿种蛋白质的结构（几乎来自所有的已知蛋白质）上传到一个公共数据库。 该计划 将确定蛋白质结构的时间从通常的数月或数年缩短至数小时或数分钟。 它对未来的影响不言而喻，从药物设计到合成生物学、纳米材料以及对细胞过程的基本理解都能由此获益。

▲图 | Emmanuel Mignot 和 Masashi Yanagisawa（右）

来自斯坦福大学医学院的 和来自筑波大学的 发现了 嗜睡症是由一小群脑细胞的丧失引起的，这些脑细胞是一种促进觉醒的物质。该发现为开发新的睡眠障碍治疗方法铺平了道路。

作为一种神经退行性疾病，之前人们对嗜睡症知之甚少。 和 的研究表明，这种疾病的核心是食欲素（也称为下丘脑分泌素），通常参与清醒的调节。在一些动物中，如狗，嗜睡症是由影响食欲素结合的神经受体的突变引起的；而在人类中，是由免疫系统攻击产生食欲素的细胞（可能“误认为”它是病毒颗粒）引发的。他们揭示了嗜睡症是一种具有自身免疫起源的神经退行性疾病，并提出了其他神经退行性疾病可能由选择性失去神经元引起的可能性。他们揭示了睡眠和清醒的核心机制，尽管这一领域仍然有很多谜团。这项发现促进了相关治疗方案与催眠药的设计开发。

“神经退行性疾病的突破，量子计算，人工智能解决蛋白质结构等等......”Sergey Brin 说，“这些都是令人难以置信的进步，值得庆祝。”

参考资料：

1. https://breakthroughprize.org/News/73