雷师兄说2024-10-15 19:21:23发布:AI赢麻了？2024年诺贝尔化学奖授予蛋白质结构预测｜科技观察

诺贝尔奖官网消息，北京时间10月9日下午5点45分许，瑞典皇家科学院宣布将2024年诺贝尔化学奖授予大卫·贝克（David Baker），以表彰其在计算蛋白质设计方面的贡献，戴密斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）和约翰·M·詹伯（John M. Jumper），以表彰其在蛋白质结构预测方面的贡献。

诺贝尔化学委员会主席海纳·林克表示：“今年被认可的发现之一是构建令人惊叹的蛋白质，另一个是实现一个50年的梦想：从氨基酸序列预测蛋白质结构，这两个发现都开辟了巨大的可能性。”

2024年诺贝尔化学奖获奖者。（图源：诺贝尔官网）

破解蛋白质惊人结构的密码

2024年诺贝尔化学奖的一半，是关于构建蛋白质的。

蛋白质是生命中巧妙的化学“工具”，这种分子的尺寸只有纳米大小，复杂程度却可以超过任何一台人造的机器，大自然的精妙由此也可见一斑。

提到蛋白质从头设计，常年顶着一头蓬松的乱发，嘴角挂着孩子气微笑的华盛顿大学蛋白质设计研究所所长大卫·贝克（David Baker）博士的大名可谓是无人不知。

这位学术达人永远像年轻人那般活力四射，在追求知识和科学的心态上，大卫·贝克也总是像孩子般充满好奇，让人感受到他内心那份对未知世界探索的热情。

这份热情，也让大卫·贝克成功地完成了这个几乎不可能完成的任务——构建全新蛋白质，这些科研成果无疑具有巨大的潜力：生命的多样性证明了蛋白质作为化学工具的惊人能力，它们控制和驱动所有的化学反应，这些反应共同构成了生命的基础。蛋白质还充当激素、信号物质、抗体和不同组织的构建部分。

蛋白质通常由20种不同的氨基酸组成，它们可以被描述为生命的基石。2003年，大卫·贝克成功地利用这些模块设计了一种不同于其他任何蛋白质的新蛋白质。从那时起，他的研究小组创造了一个又一个富有想象力的93个氨基酸残基的α/β蛋白，具有全新的拓扑结构，能够自动折叠成球状并非常稳定。

这个蛋白被命名为Top7，这是人类第一次获得了非自然界来源的全新蛋白质，代表着人类在从头设计蛋白领域迈出了一大步。David Baker也因此被一些媒体称为“上帝之手”。

Top7虽然惊艳了科学界，但它只是基于特定结构的设计，并没有任何功能。从头设计出有实际功能的全新蛋白质，对科学界而言依然是极具挑战性的工作。

David Baker的团队尝试了各种计算方法，包括计算蛋白质能量的函数、多种骨架和侧链采样方法以及一些全局优化算法，如蒙特卡洛模拟和连续优化方法。随着生成式AI和其他机器学习方法的发展，设计出具备特定生物功能的全新蛋白质正逐渐成为可能。

2024年6月，David Baker 团队发表了一项新工作，他们设计了一种全新的环形蛋白，能够调控成纤维细胞生长因子（FGF）信号通路并促进血管分化。这项工作大大拓宽了蛋白质从头设计的应用范围，可能会对领域的发展产生深远的影响。

2024年诺贝尔化学奖获奖者。（图源：诺贝尔官网）

人工智能开启蛋白设计新时代

今年诺贝尔化学奖的第二个发现，是蛋白质结构的预测。

在蛋白质中，氨基酸以长串的形式连接在一起，折叠形成三维结构，这对蛋白质的功能至关重要。自20世纪70年代以来，研究人员一直试图从氨基酸序列中预测蛋白质结构，但这是出了名的困难。

然而四年前，一个惊人的突破诞生了：2020年，戴密斯·哈萨比斯和约翰·M·詹伯提出了一个名为AlphaFold2的人工智能，能够生成出极其精确的蛋白质三维结构模型。

在该模型的帮助下，研究人员已经能够预测并鉴定出2亿种几乎所有蛋白质的结构。自该模型突破以来，AlphaFold2已被来自190个国家的200多万人使用。在众多科学应用中，研究人员现在可以更好地了解抗生素耐药性，并创建可以分解塑料的酶的图像。

封面新闻记者注意到， AlphaFold3于2024年5月发布，标志着一项重大进步，将技术扩展到蛋白质折叠之外，能以前所未有的精度准确预测蛋白质、DNA、RNA、配体等生命分子的结构及相互作用。

这一模型能够准确预测蛋白质、DNA、RNA 以及配体等生命分子的结构及其相互作用方式，在2Å 的实验误差内预测了约 80% 的蛋白质-配体复合物，实现了前所未有的准确度。戴密斯·哈萨比斯和约翰·M·詹伯也因在蛋白质结构预测方面的工作，而获得了 2023 年生命科学突破奖。

没有蛋白质，生命就不可能存在。以往通过实验来预测蛋白质结构大概需要花费数年，且耗资颇丰。而现在，科学家们只需点击几下，就能轻松看到细胞系统的全部复杂性，包括结构、相互作用和修饰。

DeepMind正与更多实验室合作，通过构建虚拟细胞进行大量实验，以大幅缩短医学及药物方面的研究时间。

DeepMind 已经发布了该系统的详细工作原理，并发布了源代码。AlphaFold 开源之后，影响力逐渐扩大。该公司还与欧洲生物信息学研究所（European Bioinformatics Institute）建立了一个公共数据库，该数据库正在填充 AI 预测的新的蛋白质结构，条目几乎是科学已知的所有蛋白质。

时至今日，借助AI工具，人类终于可以预测蛋白质结构，并设计自己的蛋白质。

硕果累累近十年获奖者都有谁？

自1901年至2022年，诺贝尔化学奖共颁奖115次，最年长的获奖者是97岁的约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough），最年轻的是1935年获奖者让·弗雷德里克·约里奥-居里（Jean Frédéric Joliot-Curie）。

以下是近10年来获奖者名单及其主要成就：

2023年：美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，以表彰他们为“发现和合成量子点”作出贡献。

2022年：卡罗琳•露丝•贝尔托西（美)、摩顿•梅尔达尔(丹麦)和卡尔•巴里•夏普莱斯(美)，因在点击化学和生物正交化学方面所做出的贡献获奖。

2021年：戴维·麦克米伦（美）和本亚明·利斯特（德）因在不对称有机催化研究方面的进展获奖。

2020年：埃曼纽尔·卡彭蒂耶(法)和詹妮弗·杜德纳(美)，因在基因编辑技术方面的贡献获奖。

2019年：约翰·古迪纳夫(美)、斯坦利·惠廷厄姆(美)和吉野彰(日)，因在锂电池研发领域做出的贡献分享诺奖。

2018年：诺贝尔化学奖授予弗朗西斯·阿诺德(美)、乔治·史密斯(美)和格雷戈里·温特利(英)，以表彰他们在酶的定向演化，以及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术方面取得的成果。

2017年：约阿希姆·弗兰克(德/美)、理查德·亨德森(英)和雅克·杜博歇(瑞士)获奖，他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子结构。

2016年：让-皮埃尔·索维奇(法)、弗雷泽·斯托达特(英)和伯纳德·费林加(荷)三位科学家因“设计和合成分子机器”获奖。