AI设计出自然界不存在的蛋白质，可替代石油和陶瓷等材料

来源丨元宇宙简史

作者丨元宇宙简史主理人 Fun

【元宇宙导读】美国研究人员使用人工智能来设计超越自然界的新蛋白质。他们开发的机器学习算法，可生成具有特定结构特征的蛋白质，这些蛋白质可用于制造具有特定机械性能（如刚度或弹性）的材料，从而取代作为原料的石油或陶瓷。研究论文发表在最新一期《化学》杂志上。

蛋白质是生命的基础，它们的形状决定了它们的功能。

然而，自然界中存在的蛋白质并不能满足人类所有的需求，比如制造具有特定机械性能（如刚度或弹性）的材料，从而取代作为原料的石油或陶瓷。

最近，美国研究人员使用人工智能来设计超越自然界的新蛋白质。他们开发的机器学习算法，可生成具有特定结构特征的蛋白质，这些蛋白质可用于制造具有特定机械性能的材料。研究论文已发表在最新一期《化学》杂志上。

设计新蛋白质的过程分为两个步骤：首先，确定想要的蛋白质结构；其次，找到能够折叠成该结构的氨基酸序列。传统的方法是通过修改自然界中存在的蛋白质来实现，但这种方法费时费力，且成功率低。因此，研究人员利用了最新的AI技术，来加速和优化这个过程。

第一个步骤是使用一种叫做ProteinMPNN的AI工具，它可以根据输入的结构特征（如长度、宽度、曲率等），生成符合要求的蛋白质骨架。这种工具使用了一种神经网络，它可以从大量已知的蛋白质结构中学习规律，并推广到未知的结构上。这样，研究人员就可以设计出完全没有自然对应物的新颖蛋白质结构；

第二个步骤是使用另一种叫做AlphaFold的AI工具，它可以根据输入的蛋白质结构，预测能够折叠成该结构的氨基酸序列。这种工具也使用了一种神经网络，它可以从大量已知的氨基酸序列和对应的蛋白质结构中学习规律，并反向推理出最佳匹配的序列。这样，研究人员就可以得到能够稳定折叠成目标结构的新颖蛋白质序列。

通过这两个步骤，研究人员成功地设计了30种新蛋白质，并在实验室中合成了它们。他们使用了冷冻电镜等技术来验证这些蛋白质是否与AI设计相符合，并发现其中27种达到了预期效果。

这些新蛋白质包括一些具有特殊形状和功能的类型，比如球形纳米颗粒、弹性纤维、刚性棒状物等。

这些新蛋白质的机械性能如何呢？研究人员使用了一种叫做原子力显微镜的仪器，来测量这些蛋白质的刚度和弹性。他们发现，这些蛋白质的机械性能可以在很大的范围内调节，从类似于橡胶的柔软，到类似于玻璃的坚硬。这些机械性能主要取决于蛋白质的结构特征，比如长度、宽度、曲率、交联等。通过改变这些特征，研究人员可以设计出具有不同机械性能的蛋白质材料。

这些新蛋白质材料有什么用途呢？研究人员表示，这些材料可以用于制造各种新型的生物医学、工业或环境应用，比如药物输送、组织工程、生物传感器、生物催化剂等。

这些材料具有一些优点，比如可生物降解、可自组装、可定制等。而且，这些材料是基于蛋白质的，因此可以取代一些依赖于石油或陶瓷等非可再生资源的材料。

这项研究是AI技术在蛋白质设计领域的最新进展之一，它展示了AI技术在加速和优化蛋白质设计过程中的巨大潜力。

不仅如此，AI技术还可以帮助研究人员发现自然界中未知的蛋白质，以及探索蛋白质的新功能和新机制。

随着AI技术的不断发展和完善，我们有望在未来看到更多由AI设计的新蛋白质和新材料，从而为人类带来更多的福祉。