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AI也能“從零開始”設(shè)計蛋白酶？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) 點擊量：13683
在新一期《科學(xué)》期刊上，一項由諾貝爾獎得主、美國華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克教授及其團隊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)計了具有復(fù)雜活性位點的絲氨酸水解酶，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)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出其強大的應(yīng)用潛力和價值。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，AI能夠借助先進的算法和大數(shù)據(jù)處理能力，快速、精準(zhǔn)地診斷疾??；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，AI的應(yīng)用推動了智慧農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)機的發(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)測和實驗設(shè)計等方面。
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)計工具有望推動更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
然而，傳統(tǒng)酶設(shè)計方法在整合活性位點至預(yù)先存在的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時，往往受到結(jié)構(gòu)靈活性和活性位點預(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，但最初通過計算設(shè)計的酶效率仍遠低于天然酶。
在新一期《科學(xué)》期刊上，一項由諾貝爾獎得主、美國華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克教授及其團隊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)計了具有復(fù)雜活性位點的絲氨酸水解酶，這一成就標(biāo)志著酶工程領(lǐng)域邁入了一個全新的里程碑。
貝克團隊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)測酶活性位點的精確原子排列。這一創(chuàng)新技術(shù)的運用，使得團隊能夠更準(zhǔn)確地設(shè)計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驗室開發(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評估這些蛋白質(zhì)的活性位點組織情況，幫助篩選出最有潛力的從零開始設(shè)計的酶。經(jīng)過不懈努力，他們成功設(shè)計出了功能性絲氨酸水解酶。
這些酶僅需最小化的活性位點規(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，但這些酶是計算機生成的，已經(jīng)是目前為止最優(yōu)秀的，并且非常精確。”與此同時，貝克爾實驗室的博士畢業(yè)生安娜?勞科也說道：“現(xiàn)在，理論上我們能夠制造出針對任何反應(yīng)的定制酶。這簡直顛覆了我們過去設(shè)計酶的方式。”這一研究成果不僅代表了從頭設(shè)計酶的重大進步，也為開發(fā)更高效的催化劑開辟了新途徑。對于理解和擴展酶的功能性而言，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)計的重要工具。蛋白酶的設(shè)計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)計方法依賴大量的實驗試錯，不僅耗時費力，而且成本高昂。相比之下，AI技術(shù)憑借其強大的算法和數(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)計的效率，還有助于發(fā)現(xiàn)和設(shè)計全新的蛋白酶，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展。這些進展不僅將推動生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，還可能為醫(yī)藥、化工等多個行業(yè)帶來革命性的變化。
(資料參考來源： 科技日報等)
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