蛋白质的折叠 ， 好似折纸 ， 不同结构决定了不同功能 。 而AI似乎觑得了其中秘密 。 |DeepMind
作者｜陆修远
我们的生命离不开蛋白质 。 蛋白质是一切生命活动的基础物质 ， 它是运输氧气的载体 ， 是帮助抵御病毒的抗体 ， 也是消化食物的酶 。 蛋白质之所以能够承担多种多样的功能 ， 很大程度上是因为它们具有丰富而复杂的空间结构 。
可是 ， 蛋白质如何折叠成这些独特的形状呢？这是生物学领域的一个重大挑战 ， 已经困扰科学家们近50年时间 。 而就在最近 ， 谷歌开发的人工智能系统 AlphaFold 将蛋白质结构预测的准确度提高到了原子水平 ， 可以说基本解决了这个“蛋白质折叠问题” 。 这比许多科学家的预期还要早几十年 ， 显示出 AI 对解决重大科学问题的潜力 。
01.
困扰科学家近50年的难题
蛋白质占据我们每个人体重的大约20% ， 是除水分（60%）以外第二多的物质种类 ， 其它的脂质、碳水化合物、核酸以及各种无机物加起来 ， 也仅仅占到20% 。 蛋白质在人体中含量如此之高并不奇怪 ， 因为蛋白质是生命活动的主要承担者 ， 没有蛋白质就没有生命 。
人类的生命活动须臾都离不开蛋白质的参与 。 无论是身体收缩肌肉、眼睛感知光亮 ， 还是消化系统将将食物转化为能量 ， 我们身体的每一项功能之所以能够正常行使 ， 几乎都依赖于蛋白质 。
生命的每一项活动都依赖于蛋白质 。 左下为红细胞 ， 右下为抗体蛋白 。 |图虫创意
目前地球上已知的蛋白质大约有两亿种 ， 每一种蛋白质都有独特的空间结构 。 蛋白质在生物体中能够发挥多种多样的功能 ， 很大程度上取决于它们的三维结构 。
例如 ， 我们免疫系统中的抗体蛋白是“Y形”的 ， 并且会形成独特的钩状 ， 这使得它们能够附着在病毒和细菌上 ， 检测和标记致病微生物 ， 将其彻底消灭 。 胶原蛋白的形状像拧起来的绳索 ， 因而能够在软骨、韧带、骨骼和皮肤之间传递张力 。 还有在被称为“基因魔剪”的 CRISPR-Cas9 基因编辑技术中 ， Cas9 蛋白质利用 CRISPR 基因序列作为向导 ， 像剪刀一样灵巧地剪切和粘贴 DNA 片段 。
然而 ， 确定蛋白质的空间结构一直是生物学中的巨大挑战 。 1972年 ， 也就是将近50年前 ， 诺贝尔化学学奖得主 Christian Anfinsen 就猜测 ， 蛋白质的氨基酸序列应该可以完全决定其空间结构 。 可是要如何根据蛋白质的氨基酸序列来确定它的空间结构呢？这就是困扰科学家们近50年的“蛋白质折叠问题” 。
02.
蛋白质如何将自己折叠起来？
蛋白质就像是一台精心组装的机器 ， 它的零件是我们身体内的20种氨基酸 。 在基因编码合成氨基酸序列的过程中 ， 一个个氨基酸分子遵照基因序列中蕴含的遗传信息指令 ， 像珠子一样有序缀连起来 ， 形成多肽链 ， 构成蛋白质的一级结构 。
然而 ， 通常的机器只要按照设计图将零件组装起来就可以运转 ， 而氨基酸分子连接成多肽链后 ， 蛋白质分子的建造还没有结束 ， 它还需要进一步折叠出空间结构才能发挥功能 。 可是基因序列只决定氨基酸序列的合成 ， 并不包含更多信息指导它如何折叠成独特的三维结构 。
事实上 ， 氨基酸序列的折叠方式蕴含在自身之中 ， 它们自己设计自己如何折叠 。 一维多肽链中的氨基酸分子像是懂得彼此沟通一样 ， 它们有些相互排斥 ， 有些彼此吸引 ， 形成螺旋、折叠成褶皱 ， 构成蛋白质的二级结构 。 接着 ， 它还会进一步折叠成独特的空间结构 ， 像一根毛线绕成线团那样 ， 构成蛋白质的三级结构 。
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