诺贝尔化学奖也颁给了AI！曾经是“太阳底下最难的科学问题之一”

摘要：生命的化学工具——蛋白质

北京时间10月9日，2024年诺贝尔化学奖的一半授予大卫·贝克，以表彰他在“计算蛋白质设计”方面的贡献，另一半授予戴密斯·哈萨比斯和约翰·詹伯，以表彰他们在“蛋白质结构预测”方面的贡献。

【一个化学家们挣扎了50多年的问题】

“预测蛋白质结构，在很长一段时间被认为是‘太阳底下最难的科学问题之一’。”复旦大学复杂体系多尺度研究院院长马剑鹏告诉解放日报·上观新闻记者，他和好朋友、诺贝尔化学奖得主迈克尔·莱维特都曾认为，这一问题在他们的有生之年恐怕很难完全解决，“但没想到人工智能——‘阿尔法折叠2’的出现不仅使这一问题超前大幅迈进，更加逼近解决，而且意义更为深远的是，科学智能（Ai for Science）的概念开始深入人心。”

化学家们一直梦想着完全理解和掌握生命的化学工具——蛋白质，这个梦想现在触手可及。戴密斯·哈萨比斯和约翰·詹伯利用人工智能预测了几乎所有2亿种已知蛋白质的结构。这是一个化学家们挣扎了50多年的问题——从氨基酸序列预测蛋白质的三维结构。

自19世纪以来，科学家们就知道蛋白质对生命过程非常重要，但直到1950年代，化学工具才精确到足以让研究人员开始详细地探索蛋白质。剑桥大学的研究人员约翰·肯德鲁和马克斯·佩鲁茨，成功地使用了一种称为X射线晶体学的方法，提出了第一个蛋白质的三维模型，并于1962年获得诺贝尔化学奖。

不过，使用X射线晶体学手段比较耗时，而且这一方法并不适用所有蛋白质。

1994年，科学家们启动了一个名为“蛋白质结构预测关键评估（CASP）”的项目，并发展成为一个竞赛。但直到2018年，才出现了突破。国际象棋大师、神经科学专家、人工智能先驱德米斯·哈萨比斯进入了这个领域。他从4岁开始下棋，13岁就取得了大师级水平。十几岁时，他开始了程序员和游戏开发者的职业生涯。2010年，他与人共同创立了后来大名鼎鼎的DeepMind（深思）公司。2014年，该公司被出售给谷歌，两年后DeepMind击败了围棋世界冠军，一战成名。

对于哈萨比斯来说，围棋不是目标，而是开发更好的人工智能模型。他带领团队参加CASP比赛，他们研发的“阿尔法折叠”将过去预测蛋白质结构最多达到40%的准确性，一下提高到了近60%。但接下来，他们陷入了瓶颈。所幸，一位新员工——约翰·詹伯带来了新创意。

约翰·詹伯在攻读理论物理学博士学位时，对蛋白质产生了兴趣。他开发了更简单、更巧妙的模拟蛋白质动力学的方法。2017年，他听说DeepMind在秘密预测蛋白质结构，于是寄了一份工作申请。经过改造的“阿尔法折叠2”带来了令人震惊的结果，其表现得几乎与X射线晶体学手段一样好。2020年底，CASP的创始人宣布结束这一比赛，因为它已没有存在的必要。

DeepMind公开了“阿尔法折叠2”的代码。截至2024年10月，来自190个国家的200多万人使用了它。以前要想获得蛋白质结构通常需要数年，而现在只需几分钟。

对蛋白质结构的可视化，使得我们能够更好地了解生命的运作方式，包括一些疾病为何会发展、抗生素耐药性如何发生以及一些微生物为何可以分解塑料等。

【创造出了以前不存在的蛋白质】

另一半奖金被授予大卫·贝克，他实现了许多人认为不可能的事情——创造出了以前不存在的蛋白质。

“和大多数科学家不一样，大卫·贝克不仅会计算，还会亲自做实验去验证。”马剑鹏说。

大卫·贝克起初在哈佛大学学习哲学和社会科学，读了经典教科书《细胞分子生物学》后改变了人生方向，开始探索蛋白质是如何折叠的。20世纪90年代末，他开发了能够预测蛋白质结构的计算机软件罗塞塔。事实证明，罗塞塔真的构建了蛋白质——Top7，其独特结构在自然界中并不存在。大卫·贝克于2003年发表了这一发现，这只是不可思议的第一步，近年来他的实验室又接二连三构建了令人难以置信的蛋白质。

创造具有新功能的蛋白质，将带来新的纳米材料、靶向药物、更快速的疫苗开发、最小的传感器和更环保的化学工业等。

【既会玩又有产业思维的科学家】

这些富有创意的科学家，在生活中又是怎样的呢？

上海交通大学化学化工学院长聘教轨副教授沈琦，曾在耶鲁大学听过大卫·贝克的讲座，“当时，他顶着一个爆炸头，很有激情地向我们讲述着他的最新研究。”

在沈琦眼中，大卫·贝克风趣幽默，是一个既会玩又有产业思维的科学家。他的实验室在科研转化方面成果颇丰，衍生出了许多生物技术初创企业，他本人身兼多家公司的创始人或科学顾问。在华盛顿大学蛋白质设计研究所官网上，展示了他们的商业化成果：共计24家公司，其中18家处于活跃状态。

大卫·贝克是上科大生命科学与技术学院助理教授豆佳宜在华盛顿大学读书时的导师。除了治学严谨、灵感多，他留给豆佳宜印象最深的是平易近人。“他大部分时间都呆在实验室，虽然学生多达六七十人，他还是亲自指导学生们做科研。”

就职于深圳华大基因的王宗安博士是约翰·詹伯的师弟。他回忆道，约翰·詹伯出生于美国阿肯色州的一个小农场主家庭，会帮家里养马、做农务；他在高中时就很会编程。学士毕业后，他前往英国剑桥大学读书，但只待了一年便返回了美国，因为他不喜欢那里的天气。“约翰·詹伯非常善于教学，十分愿意分享他的知识，对于向他请教的人，总是非常有礼貌、也非常有耐心。”