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2024年诺贝尔化学奖:又又又双叒叕是AI?

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作者:奶树

编辑:蝌蚪

当昨天的诺贝尔物理学奖刚刚颁给了开发了人工神经网络的AI之父杰弗里·辛顿和约翰·霍普菲尔德,大家还在暗想: 今年不会AI来了个大满贯吧? 化学奖也可能给AI预测蛋白质结构啊!

于是,不出意外地,瑞典皇家科学院10月9日宣布,2024年诺贝尔化学奖一半给了开发人工智能设计蛋白质结构的大卫·贝克(David Baker)、另一半则给了开发了人工智能预测蛋白质结构的德米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis)和约翰·M·詹珀(John M. Jumper)。

其实在RostteFoldAlphaFold2在2021年横空出世的时候,结构生物学家、生物化学家、计算生物学家就已经知道,这项成果,肯定值得一个诺贝尔奖

蛋白质结构:困扰生物学家的难题

说起蛋白质,相信不少人其实并不陌生,甚至了解蛋白质是细胞里行使各种功能的“元件”。不仅如此,蛋白质也是组成我们身体的基本物质之一。比如说健身可以锻炼肌肉,但想要肌肉增强变大,就必须有足够的蛋白质供给才行。

餐桌上的鸡蛋、牛奶以及各种肉类都是富含蛋白质的食物,对于人类来说,蛋白质唾手可得;但是,想要得到蛋白质的结构却难于上青天

富含蛋白质的饮食 | 图源:iSlide

因为蛋白质的结构非常复杂:简单讲,氨基酸组成蛋白质,一个个氨基酸会有叫肽键的结构链接,它的连接可以形成两种不同的角度。

那现在给大家出一个简单数学题:假设有100个氨基酸组成蛋白质,那就需要99个肽键,99个肽键有两种不同角度的结构,同时不同角度还会有三种可能的稳定结构,那就是3的198次方种可能,你要是慢慢穷举,从宇宙爆炸到现在都数不完,这就是利文索尔悖论——蛋白质结构非常非常多样,没办法用穷举来算完

氨基酸组合过程中不同的二面角会产生不同的结构,因此才有利文索尔悖论这样的无穷种结构可能| 图源:Wikipedia

结构这么复杂该怎么办?生物学家最直接的想法就是观测,用不同的方法来测量:上世纪五六十年代,用的是X光衍射——把蛋白质结晶,然后打上X光,通过反射的角度可以推测蛋白质长什么样子,这个难点就是怎么把蛋白质纯化结晶出来。

另一个现在很热门的研究方法叫冷冻电镜,就是利用冷冻切片技术,加上电子显微镜直接看蛋白质结构,但缺点就是非常非常贵,太烧钱了。

冷冻电镜的基本原理 | 图源:Wikipedia

那大家猜猜这么些方法,测量了几十年了,我们分析出来多少个蛋白质结构?其实已经不少了,根据数据库记载,现在实验已经解析了18万种蛋白质

但是相对的,我们刚刚说到蛋白质是氨基酸组成的,只要测序技术测得到DNA序列,就能推导出蛋白质序列。查找数据库可以发现,现在已知的有十几亿种蛋白质序列,这和18万之间差了将近一万倍。

所以结构生物学家就很苦恼——测序太简单了,导致结构生物学远远跟不上测序的速度。

蛋白质结构解析数量变化 | 图源:Nucleic acids research, 2019.

蛋白质序列测序的速度 | 图源:www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics/

计算预测也许可以解决问题?

所以很多开发算法的计算生物学家就想预测结构,通过算法预测肯定比做实验快很多。但是刚刚也说了利文索尔悖论,预测结构非常非常难,你要是穷举那是天文数字。

所以有很多的计算思路,比如我可以类比,实验解出来的结构我可以类比相似的序列,推测相似的序列会不会有相似的结构,这个叫同源建模;也可以拆开来类比,比完再像缝缝补补拼积木一样把结构拼出来,这个叫穿线法……但是这么多方法都有个问题:精度特别差。这就好像我想看1080P的高清视频,但是怎么调都只有马赛克高糊版,看都看不清。

做个类比的话,比如实际的蛋白结构是左图,但是预测结果往往只能得到左图的效果,很多信息都无法得知(仅作示意进行处理,实际并不仅仅是模糊,还会有很多完全不同的差别) | 图源:Wikipedia

为了促进各国科学家不断向前,从1994年开始,每两年都会举办CASP,叫蛋白质结构预测关键测试,来评估大家的算法预测准不准,来提高算法的精度。

简单来说就是从各种蛋白质序列里挑几个出来,一边让结构生物学家做实验解出一个“标准答案”,然后计算生物学家就用自己的算法来比,看看谁跟标准答案更接近。

但很遗憾,24年过去了,仍然进展很慢。

CASP官网

AI出场,势不可挡

直到2018年,一个叫AlphaFold的方法出来,得到了80分的高分,两年之后2020年AlphaFold二代打分到了90分,基本就和实验做出来的标准答案一样了。还是刚刚1080P的比喻的话,别人预测像个马赛克,但AlphaFold2预测就已经差不多1000P,和1080P基本大差不差。

这个大家也知道了,就是Deepmind公司的德米斯·哈萨比斯约翰·M·詹珀开发的人工智能方法。

AlphaFold2方法预测的精度远远超过其他算法(图a),同时预测的结果和实验结果基本吻合(图b-d)| 图源:Nature, 2021.

随后这个方法开始广泛应用到了生物学上,一发不可收拾。

一是Deepmind开发的AlphaFold2算法,在短短几个月时间里,就把几十年结构生物学家解析的没解析完的蛋白质都解了:人体98%的蛋白质都试着预测了一遍,其中三分之一能准确预测,还有一些也能大概预测一半多。同时他们声称后面几个月就把数据库扩展到一亿个蛋白质。这就比实验方法快了上万倍了。

基于AlphaFold2预测的蛋白质结构数据库

另一个生物学上的应用,是同样基于人工智能算法,由大卫·贝克开发的RoseTTAFold,它挑战的是更难的领域——怎么预测蛋白质和蛋白质相互结合,也在短时间预测了几千种蛋白质的相互结合。

RoseTTAFold的宣传图,最突出的就是对于蛋白质互作的结构预测

在AlphaFold2正式发布后只过了半年多,2022年7月,DeepMind公司的CEO,德米斯·哈萨比斯就在新闻发布会宣布:我们已经掌握了“整个蛋白质世界”(The entire protein universe)——AlphaFold马不停蹄地运转,成功完成了现有蛋白质数据库中全部2.14亿种蛋白质的结构预测。

德米斯·哈萨比斯 | 图源:Jung Yeon-Je/AFP/Getty

2.14亿种蛋白质中,有35%被评估为高度准确,虽然这个数字看起来不高,但是按照目前实验检测的水平,全部做完也就差不多这个水平——更何况,截至目前实验检测花了几十年也只测出了14万种。

仅在DeepMind公司宣布完成了“整个蛋白质世界”三个月后,2022年10月,Meta公司(原名Facebook)就拓宽了这个“蛋白质世界”的边界(‘dark matter’ of the protein universe)——他们利用自己开发的大型语言模型算法ESMFold,预测了6.17亿种来自宏基因组信息的微生物蛋白质结构。

ESMFold算法的准确度虽然略逊于AlphaFold,但它的优势在于能以60倍于AlphaFold的速度去预测短序列蛋白质的结构,这就使得它在预测结构相对简单的微生物蛋白质上有了很大的优势。

6.17亿种蛋白质结构的全览 | 图源:ESM Metagenomic Atlas

没过几天,AI又开始颠覆生物学家的认知了——创造蛋白质。

这其实是一个和蛋白质结构预测刚好相反的问题:蛋白质结构预测是从序列到结构,而创造蛋白质是要求从我们希望得到的结构,反推出合适的蛋白质序列。过去这是个计算量巨大的工作,现在AI也能完成了。

四种目前常用的设计蛋白质策略 | 图片翻译自:Nature

相比于大批量预测蛋白质结构,创造蛋白质的目的就更加明确——我们希望能创造出自然界不存在,但是对人类非常有用的蛋白质。

设计蛋白质的尝试还在不断进步和迭代,已经逐渐用到了实际应用当中。例如在RoseTTAFold的研究中,利用ProteinMPNN和RoseTTAFold方法设计出来的蛋白质,不仅在自然界完全不存在,并且大大提高了这些蛋白质结构的稳定性,预计在未来会被用作疾病治疗的抗原抗体,或者生物化学反应所需的生物酶。

蛋白质设计的过程,通过不断改变序列让蛋白质结构趋于稳定(结构的稳定基于AlphaFold预测,越红代表越不稳定,越蓝代表越稳定) | 图源:Nature

不少人可能要问了:预测蛋白质结构,到设计蛋白质,有啥用呢?

我们最开始就提到了蛋白质在我们生活无处不在,而蛋白质要发挥功能,基础是要有一定的结构。所以预测蛋白质结构,可以帮助我们更好地理解蛋白质的功能,进而去比如构建蛋白质分子药物,或者研究复杂的生物化学现象。

一个最简单的例子,比如现在我们知道新型冠状病毒的新变异奥密克戎传播力特别强,而这传播关键的刺突蛋白结构,就可以利用人工智能来预测,进而可以推测什么药物或者治疗方法可以更有效的针对奥密克戎。

使用AlphaFold预测的奥密克戎突变体的S蛋白结构

但同时,虽然说人工智能已经完成了结构生物学家很多的工作,但是这个预测仍然是不完善的:

比如有些复杂的结构,可能结构生物学家实验还没有解析出来,人工智能也就还没办法学习到,因此也预测不出来,所以很多问题仍然需要结构生物学家的深入探究;

还有很多蛋白在发挥功能的时候是一个动态变化的过程,这种时候预测的结果就不准确,还是用1080P举例的话,就是理论上是一个1080P的视频,但是人工智能在这几秒预测出来是1080P高清,那几秒预测出来却是马赛克,所以也不准确。

这些都是人工智能预测蛋白质的瑕疵,但是瑕不掩瑜,人工智能在蛋白质结构预测带给我们的惊喜实在太多了,而这项诺贝尔奖,就是计算科学在生命科学上应用的最好证明。

参考资料:

Callaway E. 'The entire protein universe': AI predicts shape of nearly every known protein[J]. Nature, 2022, 608(7921): 15-16.

Lin Z, Akin H, Rao R, et al. Evolutionary-scale prediction of atomic-level protein structure with a language model[J]. Science, 2023, 379(6637): 1123-1130.

Callaway E. Scientists are using AI to dream up revolutionary new proteins[J]. Nature, 2022.

Ferruz N, Heinzinger M, Akdel M, et al. From sequence to function through structure: deep learning for protein design[J]. Computational and Structural Biotechnology Journal, 2022.

Wicky B I M, Milles L F, Courbet A, et al. Hallucinating symmetric protein assemblies[J]. Science, 2022, 378(6615): 56-61.

Wang J, Lisanza S, Juergens D, et al. Scaffolding protein functional sites using deep learning[J]. Science, 2022, 377(6604): 387-394.

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