蛋白質解密 三傑獲化學諾獎
以AI模型計算機技術 助拆解複雜結構
生命體旺盛的化學反應背後，是蛋白質的貢獻。科學家們完全理解和掌握蛋白質的美好願望，如今已觸手可及。今屆諾貝爾化學獎分別授予科企Google轄下人工智能（AI）企業DeepMind創辦人哈薩比斯和高級科學家詹珀，表彰他們利用AI模型「AlphaFold2」，預測人類世界幾乎所有兩億個已知蛋白質的結構；亦授予美國華盛頓大學生物化學家貝克，表彰他利用計算機技術輔助創造全新的蛋白質，相信其研究成果潛力巨大。
蛋白質分子通常由20種氨基酸組成，組合方式千變萬化。1960年代以來，研究人員主要使用一種名為「X射線晶體學」的方式，確認蛋白質結構。科學家們發現，蛋白質的三維結構完全由其氨基酸序列決定，但一個蛋白質可能的結構種類多達10的47次方種，如果氨基酸鏈是隨機折疊，單是分析一種蛋白質的結構，就要耗費較宇宙年齡還要長的時間尋找答案。
「Top7」人造蛋白質改變世界
伴隨研究進展，人們發現知道蛋白質的氨基酸序列後，可分析其不同部分作用力，預測蛋白質的結構。1994年，一項名為「蛋白質結構預測批判性評估」（CASP）的競賽誕生，全球各地的科學家們定期相聚「猜謎」，謎面是一種蛋白質的氨基酸序列，謎底則要依照該序列，預測蛋白質的三維結構。
2018年，哈薩比斯團隊利用AI模型AlphaFold參加CASP競賽，其預測準確率接近60%，以絕對優勢奪冠。不過要將準確率提升到90%以上，需要詹珀的協助：在全新版本AlphaFold2當中，詹珀調整着色點，將所有已知蛋白質結構和氨基酸序列資料庫，全部用於AI訓練。2020年競賽中，AlphaFold2的準確率幾乎與X射線晶體學一致，相較後者需耗時數月甚至多年，AI只需幾分鐘便能給出結果。
人們知曉蛋白質的結構，又能否創造新的蛋白質？1990年代，貝克開始研發預測蛋白質結構的電腦軟件Rosetta，取得一定成果。貝克思考，如果反向利用Rosetta，輸入需要的蛋白質結構，由軟件輸出構建氨基酸序列的建議，或許便能創造出新的蛋白質。在貝克團隊努力下，一款名為「Top7」的人造蛋白質問世，它由93個氨基酸組成，結構極為穩定，與任何天然蛋白質都不相同。該成果自此打開「從頭設計蛋白質」世界的大門，這意味科學家們想要設計有特定功能的蛋白質，除調整天然蛋白質結構外，還可以從零開始將它製造出來。
逾200萬人曾使用AlphaFold2
諾貝爾獎委員會稱，截至本月，全球有來自190個國家超過200萬人使用過AlphaFold2。遙想當年，X射線晶體學於1962年獲得當屆化學獎，如今時隔逾60年，人類探索蛋白質結構的效率已大幅提升，更可以自行創造蛋白質，其成果在納米材料作靶向藥和疫苗等領域，都能發揮重要作用。
