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人工智能设计出“完美”蛋白质外壳
本文转自：中国科学报
人工智能设计出“完美”蛋白质外壳
有望制造更有效疫苗
人工智能设计的蛋白质外壳。图片来源：Shutterstock/Sergei Drozd
本报讯 4月20日，一项发表于《科学》的研究显示，人工智能可以设计出密度极高的蛋白质外壳，有朝一日能用来制造更有效的疫苗。
病毒的遗传物质位于蛋白质外壳中。在实验室里制造的类似外壳也被用于疫苗，只不过包裹的是在体内引发免疫反应的分子。
这些人造外壳的化学和生物特性取决于它们的结构。但无论结构中的缺陷有多小，都会降低效率，导致不稳定，并在细胞内发生不可预测的反应。美国西雅图华盛顿大学的Isaac Lutz和同事想看看使用人工智能是否可以使这些外壳的设计和制造更加精确。
研究人员首先向人工智能提供了他们希望外壳具有的结构，比如尺寸和孔隙度。人工智能随后使用了强化学习。这与人工智能系统通过尝试不同的走法，然后接收反馈并重试，从而学习下棋等游戏的迭代过程相同。
在这里，人工智能的做法是将名为α螺旋的小蛋白质结构组合、折叠和缠绕成20面体的外壳，然后检查得到的设计是否具有人们所需的结构。
在人工智能设计出数十万个外壳后，研究人员在实验室中创造出其中大约350个外壳。他们用电子显微镜对后者进行了检查，发现人工智能制造的外壳比以往任何时候都致密。
Lutz解释说，这是因为它始于非常小的构建件。研究人员以前使用更大的蛋白质结构，而这些构建件可以比它们更整齐地组合在一起。
“这就像我们以前必须先购买蛋白质‘乐高积木’一样，你能建造的东西受到它们如何组合在一起的限制。而现在我们可以说出想要建造什么，然后人工智能会设计并连接实现这一目标所需的精确的‘乐高积木’。”他说。
为了测试高密度结构如何影响外壳在活细胞中的使用，研究小组在外壳上镶嵌了不同的分子，并将其植入小鼠体内。
值得注意的是，在一项针对能够触发流感抗体的分子的实验中，与目前正在临床试验的一些传统候选疫苗相比，人工智能设计的外壳带来了小幅但在统计上显著增加的免疫反应。
Lutz表示，这是因为人工智能方法的精确性。每个分子都精准地处于外壳上需要它的位置，而且外壳的结构足够坚固，可以支撑许多分子。
“这个团队能做到这一点令人震惊。”英国纽卡斯尔大学的Martin Noble说，“设计出折叠正确的单个蛋白质需要数十亿年，但将蛋白质折叠得如此完美，使其紧密结合并形成封闭结构，是另一个层次的复杂性。”
美国密歇根大学的Yang Zhang表示，除了疫苗之外，人工智能设计的蛋白质外壳还可以用于基因治疗，将遗传物质放置于特制的外壳内，让患者的细胞不会对其产生不良反应。（王方）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adf6591
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快照生成时间：2023-04-24 14:45:17
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