AI設計出自然界不存在的蛋白質，可替代石油和陶瓷等材料

來源丨元宇宙簡史

作者丨元宇宙簡史主理人 Fun

【元宇宙導讀】美國研究人員使用人工智能來設計超越自然界的新蛋白質。他們開發的機器學習算法，可生成具有特定結構特征的蛋白質，這些蛋白質可用于制造具有特定機械性能（如剛度或彈性）的材料，從而取代作為原料的石油或陶瓷。研究論文發表在最新一期《化學》雜志上。

蛋白質是生命的基礎，它們的形狀決定了它們的功能。

然而，自然界中存在的蛋白質并不能滿足人類所有的需求，比如制造具有特定機械性能（如剛度或彈性）的材料，從而取代作為原料的石油或陶瓷。

最近，美國研究人員使用人工智能來設計超越自然界的新蛋白質。他們開發的機器學習算法，可生成具有特定結構特征的蛋白質，這些蛋白質可用于制造具有特定機械性能的材料。研究論文已發表在最新一期《化學》雜志上。

設計新蛋白質的過程分為兩個步驟：首先，確定想要的蛋白質結構；其次，找到能夠折疊成該結構的氨基酸序列。傳統的方法是通過修改自然界中存在的蛋白質來實現，但這種方法費時費力，且成功率低。因此，研究人員利用了最新的AI技術，來加速和優化這個過程。

第一個步驟是使用一種叫做ProteinMPNN的AI工具，它可以根據輸入的結構特征（如長度、寬度、曲率等），生成符合要求的蛋白質骨架。這種工具使用了一種神經網絡，它可以從大量已知的蛋白質結構中學習規律，并推廣到未知的結構上。這樣，研究人員就可以設計出完全沒有自然對應物的新穎蛋白質結構；

第二個步驟是使用另一種叫做AlphaFold的AI工具，它可以根據輸入的蛋白質結構，預測能夠折疊成該結構的氨基酸序列。這種工具也使用了一種神經網絡，它可以從大量已知的氨基酸序列和對應的蛋白質結構中學習規律，并反向推理出最佳匹配的序列。這樣，研究人員就可以得到能夠穩定折疊成目標結構的新穎蛋白質序列。

通過這兩個步驟，研究人員成功地設計了30種新蛋白質，并在實驗室中合成了它們。他們使用了冷凍電鏡等技術來驗證這些蛋白質是否與AI設計相符合，并發現其中27種達到了預期效果。

這些新蛋白質包括一些具有特殊形狀和功能的類型，比如球形納米顆粒、彈性纖維、剛性棒狀物等。

這些新蛋白質的機械性能如何呢？研究人員使用了一種叫做原子力顯微鏡的儀器，來測量這些蛋白質的剛度和彈性。他們發現，這些蛋白質的機械性能可以在很大的范圍內調節，從類似于橡膠的柔軟，到類似于玻璃的堅硬。這些機械性能主要取決于蛋白質的結構特征，比如長度、寬度、曲率、交聯等。通過改變這些特征，研究人員可以設計出具有不同機械性能的蛋白質材料。

這些新蛋白質材料有什么用途呢？研究人員表示，這些材料可以用于制造各種新型的生物醫學、工業或環境應用，比如藥物輸送、組織工程、生物傳感器、生物催化劑等。

這些材料具有一些優點，比如可生物降解、可自組裝、可定制等。而且，這些材料是基于蛋白質的，因此可以取代一些依賴于石油或陶瓷等非可再生資源的材料。

這項研究是AI技術在蛋白質設計領域的最新進展之一，它展示了AI技術在加速和優化蛋白質設計過程中的巨大潛力。

不僅如此，AI技術還可以幫助研究人員發現自然界中未知的蛋白質，以及探索蛋白質的新功能和新機制。

隨著AI技術的不斷發展和完善，我們有望在未來看到更多由AI設計的新蛋白質和新材料，從而為人類帶來更多的福祉。