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今年诺贝尔化学奖的颠覆性意义
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今年诺贝尔化学奖的颠覆性意义
10月9日，瑞典皇家科学院决定将2024年诺贝尔化学奖的一半授予戴维·贝克（David Baker），以表彰他在“计算蛋白质设计”方面的贡献，将另一半授予德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）和约翰·江珀（John M. Jumper），以表彰他们在“蛋白质结构预测”方面的贡献。
10月9日，在瑞典斯德哥尔摩举行的2024年诺贝尔化学奖公布现场
屏幕显示奖项得主美国华盛顿大学的David Baker，英国伦敦谷歌旗下
人工智能公司“深层思维”的Demis Hassabis和John M.Jumper。
新华社记者 彭子洋 摄
德米斯·哈萨比斯和约翰·江珀开发了一种AI模型，解决了一个50多年来的重大难题：预测蛋白质的复杂结构。这个基于AI的蛋白质预测工具就叫作Alpha Fold。
2024年诺贝尔化学奖授予了AI最重要的应用技术Alpha Fold，这对于化学和生命来说是极具颠覆性意义的，会让人类治愈百病，延长寿命。蛋白质是生命健康以及疾病治疗的关键。由于蛋白质是一种极其复杂的立体折叠结构，故有人称之为蛋白质宇宙。Alpha Fold这种AI工具全面攻破了蛋白质宇宙，它可以超短时精准预测出所有生物分子的蛋白质结构及其相互作用。这就可以让人类从分子层面理解生命过程和疾病发生发展的病理机制。在此基础上，Alpha Fold可以针对性地设计靶向药物。最关键的是Alpha Fold大大缩短了蛋白质结构的预测时间，之前可能需要几个月甚至几年才能够找到的蛋白质结构，现在只需几小时最多几天就可以找到。并且在2020年，德米斯·哈萨比斯和约翰·江珀提出了一个名为Alpha Fold 2的AI模型。借助该模型，他们能够预测研究人员发现的几乎所有约2亿种蛋白质的结构。
组成作为生物高分子蛋白质的小分子主要是α-氨基酸，即氨基连接在与羧基相邻的α位碳原子上，α-氨基酸的分子结构通式为：
天然氨基酸有上百种，而组成蛋白质的氨基酸通常称仅有20种，包括半胱氨酸Cysteine, 谷氨酸Glutamic acid, 谷氨酰胺Glutamine，甘氨酸Glycine, 脯氨酸Proline, 丝氨酸Serine, 酪氨酸Tyrosine, 精氨酸Arginine, 苯丙氨酸Phenylalanine, 组氨酸Histidine, 异亮氨酸Isoleucine, 亮氨酸 Leucine, 赖氨酸Lysine，天冬氨酸Aspartic acid, 天冬酰胺Asparagine, 丙氨酸Alanine, 缬氨酸Valine, 色氨酸Tryptophan, 苏氨酸Threonine, 甲硫氨酸（蛋氨酸）Methionine。
构成蛋白质的20种氨基酸-氨基酸多肽长链-蛋白质折叠结构示意图
在此需说明，这20种氨基酸中，名称显示酰胺的氨基酸有谷氨酰胺和天冬酰胺2种，这2种氨基酸是另含有酰胺基的α-氨基酸。
构成蛋白质的20种氨基酸中，有几种氨基酸在人体内不能生成（进而不能合成人体蛋白质），必须通过食物供给，叫作必需氨基酸。在成年人体中，必需氨基酸有8种，包括苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、赖氨酸、色氨酸和苏氨酸。儿童体中必需氨基酸有9种，即除了成人的8种之外还必需有组氨酸。
此处还需说明的是，有资料显示，近年来又发现了第21种和第22种构成蛋白质的氨基酸。即硒代半胱氨酸（Selenocysteine）作为第21种标准氨基酸，它存在于一些特殊的蛋白质分子之中，如细菌的甲酸脱氢酶、哺乳动物的谷胱甘肽过氧化物酶等，这些蛋白质统称为含硒蛋白质。另外，吡咯赖氨酸（pyrrolysine）是2002年发现的第22种标准氨基酸。
利用DNA中存储的信息作为蓝图，α-氨基酸连接在一起形成多肽长链，然后多肽链扭曲并折叠成独特的（有时是独一无二的）蛋白质三维组合结构。蛋白质能够以无数种方式组合，正是这无数种组合结构赋予了蛋白质各种功能。一些蛋白质成为可以制造肌肉、角或羽毛的“化学构件”，而另一些则可能成为激素或抗体，它们中有许多部分形成酶，以惊人的精度驱动生命的化学反应。位于细胞表面的蛋白质也很重要，它们充当细胞与周围环境之间的通讯渠道，即为感知过程。
目前截止今年10月份，全球共有190个国家的200多万科学家正在用Alpha Fold来加速自己的研究，这些研究涵盖了新药设计、生物可再生材料以及医学基因技术等领域。有了Alpha Fold之后，靶向药物的高效研发和疾病的高度治愈率将会迎来颠覆性的生命医学革命，即药物设计的时间会大大缩短，成功率会大大提高，成本会大大降低。
贝克的研究团队则首先提出一个全新结构的蛋白质，然后利用Rosetta计算哪种氨基酸序列可以生成所需的蛋白质。为了验证该软件的成功率，贝克的研究小组将软件建议的氨基酸序列基因引入细菌，这些细菌生产了所需的蛋白质。然后，他们利用X射线晶体学确认了蛋白质结构与他们的设计几乎完全符合。该成果于2003年发表。
此后，他的研究小组不断创造出一个又一个具有新功能的蛋白质，可用于促成新的纳米材料、靶向药物、疫苗研发、微型传感器以及更环保的化学工业等，为实现人类福祉开辟了无限可能。
如果进一步改进AI算法，能够更精准设计各种酶、抗体、疫苗和靶向药物等重要的功能蛋白，将会产生具有真正实用的保健和医疗的全新蛋白。此项伟大的颠覆性技术进步将普惠到我们每一个人身上。预期十年以内人类将会治愈百病，健康长寿的时代即将到来。
相关参考链接：
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_28995087
https://www.sohu.com/a/815218380_255783
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_28983298
http://www.xinhuanet.com/mrdx/20241010/857b3646be8740c0a3790cebf4666863/c.html
http://world.people.com.cn/n1/2024/1010/c1002-40335694.html
http://world.people.com.cn/n1/2024/1010/c1002-40335693.html
https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E5%8D%81%E7%A7%8D%E6%B0%A8%E5%9F%BA%E9%85%B8/9080751
https://blog.sciencenet.cn/blog-3389947-1456033.html
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