諾貝爾獎化學原理，揭開蛋白質的神秘面紗

蛋白質究竟是什麼？關於榮獲諾貝爾獎的化學原理闡釋

週三，諾貝爾化學獎被授予了三位科學家，他們幫助揭開了蛋白質（生命的基石）的一些長期未解之謎。

2024 年諾貝爾化學獎獲得者在屏幕上（從左至右依次爲）：大衛·貝克、德米斯·哈薩比斯和約翰·M·江珀

谷歌 DeepMind 實驗室的德米斯·哈薩比斯和約翰·江珀使用人工智能技術預測蛋白質的結構，而生物化學家大衛·貝克則成功設計出了自然界中從未見過的全新蛋白質。

這些突破有望帶來諸多進展，比如從發現新藥到研發分解污染物的酶。

以下是關於此次諾貝爾獎背後科學原理的闡釋。

- 蛋白質是什麼？ -

英國伯明翰大學的蛋白質研究員達維德·卡萊比羅告訴法新社：“蛋白質是充當‘我們身體中一切活動的‘工廠’’的分子。”

DNA 爲每個細胞提供藍圖。然後蛋白質利用這些信息把細胞轉化爲特定的類別，比如腦細胞或者肌肉細胞。

蛋白質由 20 種不同的氨基酸組成。這些氨基酸起始的序列決定了它們會扭曲和摺疊成何種三維結構。

美國化學學會會長瑪麗·卡羅爾將其運作方式比作老式電話繩。

她對法新社說：“所以你要是把那根電話繩拉直，那你就只有一個一維結構了。”

她補充道：“然後它會彈回成三維形狀。”

因此，如果化學家想要掌握蛋白質，他們需要了解二維序列是如何變成這些三維結構的。

“大自然已經提供了數以萬計的不同蛋白質，但有時我們希望它們做一些它們尚不知如何去做的事情，”法國生物化學家索菲·薩克因-莫拉說道。

- 人工智能做了什麼？ -

之前的諾貝爾獎獲得者的工作表明，化學家應當能夠查看氨基酸序列，並預測其將形成的結構。

但這並非易事，化學家們努力了 50 年。甚至還有一個兩年舉辦一次的競賽，名爲‘蛋白質奧林匹克’，很多人在預測測試中都失敗了。

哈薩比斯和傑普特出現了。他們用所有已知的氨基酸序列和相應結構來訓練他們的人工智能模型 AlphaFold。

當給出一個未知序列時，AlphaFold 會將其與之前的序列作比較，逐漸在三維空間中重建謎題。

新一代的 AlphaFold2 在 2020 年的“蛋白質奧林匹克”中取得大勝後，組織者認爲這個問題已得到解決。

該模型如今已預測出地球上已知的近乎 2 億種蛋白質的結構。

- 那新的蛋白質呢？ -

美國生物化學家貝克從這一過程的另一端着手。

首先，他設計了一種自然界中從未見過的全新蛋白質結構。

然後，利用他開發的一個名爲 Rosetta 的計算機程序，他能夠算出其最初的氨基酸序列。

爲了實現這一點，Rosetta 梳理了所有已知的蛋白質結構，以尋找與它想要構建的結構相似的短蛋白質片段。

Rosetta 隨後對其加以調整，並給出了一個可能最終形成該結構的序列。

- 這一切都是爲了什麼？ -

掌握像蛋白質這類基礎且重要的微小物質，未來可能有大量潛在用途。

“這使我們能更好地理解生命如何運作，包括某些疾病爲何產生、抗生素耐藥性如何發生，或者某些微生物爲何能分解塑料，”諾貝爾獎網站稱。

它補充道，製造全新的蛋白質有可能帶來新的納米材料、靶向藥物和疫苗，或者更環保的化學品。

當被要求挑選最喜歡的蛋白質時，貝克指出了一個他‘在疫情期間設計的能夠抵禦冠狀病毒的蛋白質’。

“我一直對一種鼻噴霧劑的構想感到非常興奮，這種鼻噴霧劑由設計的小蛋白質組成，能夠抵禦所有可能的大流行病毒，”他通過視頻鏈接在諾貝爾獎頒獎典禮上說。

卡萊比羅強調了這項研究將會有多麼“變革性”。

“我覺得這僅僅是一個全新紀元的開端。”