12月28日消息，日前，国际权威学术期刊《科学》公布了2021年度十大科学突破评选结果。其中，“人工智能预测蛋白质结构”排在第一；“抗新冠强效药出现”排在了第四。蛋白质结构解析究竟难在何处？目前国内外有哪些抗新冠病毒强效药？新的蛋白质结构预测技术怎么样了？
【安芬森的梦想似乎越来越近了】
有意思的是，“人工智能首次精准预测蛋白质三维结构”曾位列《科学》评选的2020年度十大科学突破之七。
没有蛋白质就没有生命。它将食物转化为细胞的能量，在我们的血液中运送氧气，并对抗微生物入侵者。蛋白质具有三维结构，由一系列氨基酸折叠而成。氨基酸长链如何自发地折叠成三维结构，是一个长期困扰科学家的问题。由于蛋白质结构取决于几千个氨基酸各个原子间的相互作用力，蛋白质结构的解析难度很大，在相当长的一段时间里，只能通过艰苦的实验室分析来确定蛋白质结构。
美国生物化学家克里斯蒂安·安芬森在1972年的诺贝尔奖获奖感言中提出了一个愿景，希望有一天，根据氨基酸的序列就能预测任何蛋白质的三维结构。
科学家为何要对蛋白质结构的解析如此在意呢？原来，我们常用的小分子化学药，其作用靶点大部分在蛋白质上，药物研发离不开蛋白质结构的解析。
早在20世纪50年代，研究人员就开始通过X射线晶体学技术来绘制蛋白质的三维结构图，但这需要耗费数年时间，而且每个蛋白质三维结构图的成本高达数十万美元。为了加快这一过程，科学家们在 20世纪70 年代开始创建计算机模型来预测蛋白质的折叠方式。
去年12月1日，谷歌旗下的“深度思维”公司宣布，其新一代“阿尔法折叠”人工智能系统首次精确预测了蛋白质的三维结构。
今年7月，深度思维宣布利用“阿尔法折叠”预测了人类表达的几乎所有蛋白质结构。
“我从没想过有生之年会看到这个。”马里兰大学沙迪格罗夫分校的结构生物学家约翰·莫尔特对此感叹不已。当然，他也指出，“蛋白质结构不是静态的，他们在工作时弯曲，对这些变化进行建模仍然是一个挑战。但人工智能驱动的技术进步，将永远改变生物学和医学。”
安芬森的梦想似乎越来越近了。
可以预见的是，这一科学突破将具有广泛的应用，并有望更快找到创新药物靶点。
【我国首个抗新冠病毒特效药获批上市】
新冠疫情尚未结束，科学家们一直在为特效药而努力。
今年12月22日，美国食品和药物管理局批准了首款可紧急用于治疗新冠病毒感染的口服药物。辉瑞公司生产的这款名为Paxlovid的药物，由两种抗病毒药物组成，可用于治疗患新冠轻症至中症的成人和12岁及以上儿童，以及具有较高重症风险的人群。此前，辉瑞曾宣布，Paxlovid可将轻度或中度新冠肺炎患者的住院或死亡风险降低约89%。
当地时间2021年11月4日，英国药品和保健品管理局宣布批准了“莫努匹韦”的紧急使用授权申请，该药成为世界上第一款上市、可在家中口服的抗新冠病毒药物。据美国制药公司默沙东此前宣布，他们与Ridgeback合作开发的“莫努匹韦”在三期临床试验中，轻中度患者的住院或死亡风险降低了50%。
今年12月8日，我国首个抗新冠病毒特效药——安巴韦单抗/罗米司韦单抗联合疗法特效药获得中国药监局的上市批准。临床试验数据显示，该药能够降低高风险新冠门诊患者80%的住院率和死亡率。同时，抗体在人体内可存留9至12个月，这对预防感染也有一定作用。
这些药物是否能成为真正的抗新冠病毒特效药，还有待在真实世界进一步观察。期待未来，随着抗新冠病毒特效药和安全高效的疫苗以及有力的公共卫生防疫措施，世界可以早日开放。
【预测400个氨基酸的蛋白链，只需16秒】
近日，人工智能企业上海天壤智能科技有限公司宣布，其自主研发的深度学习蛋白质折叠预测平台在国际蛋白质结构预测竞赛蛋白质测试集的评估中获得优异成绩，位居全球同类型团队前列。在400个氨基酸的蛋白链预测时，该预测平台仅耗时16秒。
科学家说，蛋白质是细胞中的主要功能分子，在细胞中发挥多种多样的功能。比如，作为酶发挥催化作用，参与生物体内新陈代谢的调剂作用，运输代谢物质，用于细胞骨架的形成，以及参与免疫、细胞分化、细胞凋亡等过程。作为构成生命的基本元件，破解蛋白质的功能是揭开各种生命现象的金钥匙。
据天壤创始人薛贵荣博士介绍，为了行使特定功能，蛋白质必须折叠成特定的结构，只有少数蛋白质处于天然无折叠状态但仍具有功能。蛋白质的三维结构也直接决定蛋白质的功能，一旦三维结构被破坏，蛋白质功能随之丧失。许多疾病都是由体内重要的蛋白质结构异常引起。因此，研究蛋白质结构有助于了解蛋白质的功能和作用，从而带来医疗保健、食品可持续性、创新生物技术等方面的改善，推进生命科学、药物研发、合成生物学方面的发展。
在生命科学领域，观测和解析蛋白质结构一直是个令人着迷的话题，吸引着众多科学家攻坚，但也面临着难度大、成本高、进展有限的局面。传统观测蛋白质结构的方法主要有三种：核磁共振、X射线、冷冻电镜。这些方法依赖大量试错以及昂贵的设备，每种结构的研究往往长达数年。现有的实验手段也还不足以揭示一些重要的蛋白结构，需要借助更多生物信息技术、计算生物学手段去探索。但使用普通的计算机软件来计算蛋白质结构，运算量相当惊人，连超级计算机也难以承受。为此，蛋白质结构预测成为结构生物学的重要分支，研究人员通过开发相关的人工智能算法，根据氨基酸序列来预测蛋白质的空间结构。
“从人工智能战胜围棋世界冠军，到城市交通调度，人工智能在解决复杂系统问题中显示出了惊人的智能决策能力，而蛋白质结构预测虽然是生物学课题，同时也属于复杂场景的问题，可以体现人工智能在基础科学研究中的巨大潜能，我们不愿意错过这道风景。”薛贵荣说，像这种全方位的创新项目非常珍贵，它覆盖了交叉学科的创新、行业的创新、基础科学的创新、人工智能算法和工程能力的创新。
近期的这些进展表明，将人工智能应用于蛋白质结构领域，通过预测的方式破解传统观测方法所不能解析的一些结构，且可信度比较高，十分接近事实。这种人工智能的结构预测算法，有望成为科学家的利器，加速生命科学领域的研究发展。
目前，单个蛋白质折叠预测只是一个起点，蛋白质通常以复合物的形式成对或成组发挥功能，以承担生命所需的种种功能，而许多蛋白质复合物的结构至今仍然成谜。薛贵荣认为，未来还要进一步提高人工智能算法的普适性和准确度，在揭示多个蛋白质之间的相互作用方面作出贡献，帮助人类寻找到精准的疾病治疗新方法。
相关链接：2021《科学》评选的十大科学突破
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