未来食品科技创新国际研讨会-李永辉副教授：基于机器学习与分子模拟揭示Osborne蛋白结构-溶解性的关联机制

报告内容

基于机器学习与分子模拟揭示Osborne蛋白结构-溶解性的关联机制

Osborne分级法是基于溶解性区分植物蛋白的经典体系，然而各类别之间的分子层面差异尚未得到系统阐明。本研究基于蛋白质序列信息与AlphaFold 3预测的单体结构，对212 个物种的1 034 种种子贮藏蛋白进行了Osborne分类预测和表征，并识别了不同类别的全局特征差异，例如清蛋白含更多二硫键。所构建的支持向量机（support vector machine，SVM）和图卷积网络（graph convolutional network，GCN）机器学习模型均表现出优异的分类性能，验证集与测试集的准确率高达96.0%～100.0%。SVM模型分析表明，带电残基缺失（如醇溶蛋白）是类别分离的关键特征；GCN模型则揭示了球蛋白与谷蛋白在谷氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸及甘氨酸残基局部结构上的差异。进一步研究发现，这些差异区域主要集中于cupin结构域的环区，而非保守的β-barrel结构域。通过全原子与粗粒度分子动力学（all-atomic and coarse-grained MD）模拟对比不同Osborne溶剂体系下的蛋白行为，发现MD模拟能够重现2S大豆清蛋白与19 kDa玉米醇溶蛋白的预期溶解特性，但豌豆球蛋白A与水稻谷蛋白A在结构稳定性和聚集动力学上无显著差异。结合模拟结果与实验现象，我们提出盐溶液中谷蛋白的不溶性可能源于寡聚态构象或蛋白间二硫键，而非单体固有性质。基于迄今最大规模的种子贮藏蛋白数据集，本研究从序列与结构层面系统解析了植物蛋白的理化特征，验证了跨物种分类的普适性，揭示了球蛋白与谷蛋白的局部结构新机制，并探究了溶剂环境对蛋白动态行为的影响。该成果不仅深化了对植物蛋白分子本质的认知，也为后续研究其构效关系及潜在应用奠定了理论基础。

嘉宾介绍

李永辉 副教授

美国堪萨斯州立大学谷物科学与工业系

李永辉，美国堪萨斯州立大学谷物科学系副教授，研究生项目主管，博士生导师，堪萨斯州小麦品质实验室主任。本科及硕士毕业于浙江大学化学工程系和生物系统工程系，博士毕业于美国堪萨斯州立大学谷物科学系。研究方向是谷物蛋白质化学结构、修饰及功能，生物活性分子及活性肽，旨在开发高质量的功能性谷物食品和高附加值原料。近年来，整合湿化学、计算化学、工程学原理以及机器学习手段，在谷物蛋白质和生物活性肽的结构和功能研究方面取得新的突出进展。主持美国农业部项目多项，并与 Nestle 、 PepsiCo 、 Johnsonville 等知名企业开展深度合作，主持科研项目累积经费超 430 万 美元。在《 TrAC Trends in Analytical Chemistry 》《 Briefings in Bioinformatics 》《 Journal of Agriculture and Food Chemistry 》《 Journal of Food Engineering 》《 Food Chemistry 》等国际主流期刊发表 SCI 论文 160 余篇，总被引 5 600 余次 , 出版编辑专著 3 部，申请 / 授权美国发明专利 3 项。担任《 Journal of Food Science 》《 Cereal Chemistry 》《 Agricultural Products Processing and Storage 》副主编，及《 Journal of Future Foods 》《 Grain & Oil Science and Technology 》《 Journal of Integrative Agriculture 》等期刊编委。

实习编辑：成都大学中医药大学公共卫生学院 杨琼 ；责编：张睿梅

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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为进一步深入探讨食品产业在当前复杂多变环境下的高质量发展路径，并着重关注食品科学、营养安全保障的基础研究与关键技术研发，贯彻落实“大食物观”和“健康中国2030”国家战略，北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志，将与国际谷物科技协会（ICC）、湖南省食品科学技术学会、湖南省农业科学院农产品加工研究所、湖南农业大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湘潭大学、湖南中医药大学、湖南农业大学长沙现代食品创新研究院共同举办“第十二届食品科学国际年会”。本届年会将于2025年8月9-10日在中国 湖南 长沙召开。

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