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AI也能“從零開始”設(shè)計(jì)蛋白酶？酶工程領(lǐng)域重要里程碑！
2025年03月03日 11:59:53
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：13835
在新一期《科學(xué)》期刊上，一項(xiàng)由諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國(guó)華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克教授及其團(tuán)隊(duì)完成的突破性研究成果引發(fā)了廣泛關(guān)注——他們首次利用AI，成功從零開始設(shè)計(jì)了具有復(fù)雜活性位點(diǎn)的絲氨酸水解酶，這一成就標(biāo)志著酶工程領(lǐng)域邁入了一個(gè)全新的里程碑。
人工智能(AI)作為現(xiàn)代科技的杰出代表，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，AI能夠借助先進(jìn)的算法和大數(shù)據(jù)處理能力，快速、精準(zhǔn)地診斷疾?。辉谵r(nóng)業(yè)領(lǐng)域，AI的應(yīng)用推動(dòng)了智慧農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展；在科學(xué)研究與探索領(lǐng)域，AI的應(yīng)用主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理、模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面。
酶是自然界中的“魔法師”，它們能夠在溫和條件下迅速加速化學(xué)反應(yīng)，并改變分子的結(jié)構(gòu)。酶存在于所有生物體的細(xì)胞中，是生命必不可少的組成部分。目前，酶已經(jīng)在藥物生產(chǎn)和工業(yè)過程中得到應(yīng)用。新開發(fā)的酶設(shè)計(jì)工具有望推動(dòng)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
然而，傳統(tǒng)酶設(shè)計(jì)方法在整合活性位點(diǎn)至預(yù)先存在的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，往往受到結(jié)構(gòu)靈活性和活性位點(diǎn)預(yù)組織程度的限制，導(dǎo)致催化效率不盡如人意。盡管化學(xué)手段能在一定程度上緩解這些問題，但最初通過計(jì)算設(shè)計(jì)的酶效率仍遠(yuǎn)低于天然酶。
在新一期《科學(xué)》期刊上，一項(xiàng)由諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國(guó)華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克教授及其團(tuán)隊(duì)完成的突破性研究成果引發(fā)了廣泛關(guān)注——他們首次利用AI，成功從零開始設(shè)計(jì)了具有復(fù)雜活性位點(diǎn)的絲氨酸水解酶，這一成就標(biāo)志著酶工程領(lǐng)域邁入了一個(gè)全新的里程碑。
貝克團(tuán)隊(duì)此次引入了一種名為PLACER(蛋白質(zhì)—配體原子構(gòu)象集合再現(xiàn))的新型機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過分析蛋白質(zhì)骨架、氨基酸特性和結(jié)合分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠預(yù)測(cè)酶活性位點(diǎn)的精確原子排列。這一創(chuàng)新技術(shù)的運(yùn)用，使得團(tuán)隊(duì)能夠更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)具有高效催化能力的酶。
在研究中，研究人員使用了貝克爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的RFdiffusion模型，這是一款開源的蛋白質(zhì)生成AI程序，并使用PLACER評(píng)估這些蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)組織情況，幫助篩選出最有潛力的從零開始設(shè)計(jì)的酶。經(jīng)過不懈努力，他們成功設(shè)計(jì)出了功能性絲氨酸水解酶。
這些酶僅需最小化的活性位點(diǎn)規(guī)范，就能有效地催化酯水解反應(yīng)。此外，該方法還在低通量篩選過程中發(fā)現(xiàn)了5種全新的酶折疊方式，這些折疊方式不同于任何已知的天然絲氨酸水解酶，極大地豐富了這一古老酶家族的結(jié)構(gòu)多樣性。
研究人員表示：“它們還不如天然酶表現(xiàn)得好，但這些酶是計(jì)算機(jī)生成的，已經(jīng)是目前為止最優(yōu)秀的，并且非常精確。”與此同時(shí)，貝克爾實(shí)驗(yàn)室的博士畢業(yè)生安娜?勞科也說道：“現(xiàn)在，理論上我們能夠制造出針對(duì)任何反應(yīng)的定制酶。這簡(jiǎn)直顛覆了我們過去設(shè)計(jì)酶的方式。”這一研究成果不僅代表了從頭設(shè)計(jì)酶的重大進(jìn)步，也為開發(fā)更高效的催化劑開辟了新途徑。對(duì)于理解和擴(kuò)展酶的功能性而言，這一突破同樣具有重要意義。
在生命科學(xué)領(lǐng)域，AI也正逐步成為蛋白酶設(shè)計(jì)的重要工具。蛋白酶的設(shè)計(jì)通常需要精確控制氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的蛋白酶設(shè)計(jì)方法依賴大量的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且成本高昂。相比之下，AI技術(shù)憑借其強(qiáng)大的算法和數(shù)據(jù)處理能力，能夠快速分析海量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)氨基酸序列如何折疊成三維結(jié)構(gòu)。這不僅顯著提升了蛋白酶設(shè)計(jì)的效率，還有助于發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)全新的蛋白酶，為生命科學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新注入了新的活力。
展望未來，隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們有理由相信，酶工程領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀嗟耐黄菩赃M(jìn)展。這些進(jìn)展不僅將推動(dòng)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，還可能為醫(yī)藥、化工等多個(gè)行業(yè)帶來革命性的變化。
(資料參考來源： 科技日?qǐng)?bào)等)
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