贏得諾獎不是終點！David Baker再獲里程碑突破——AI首次從頭設計出蛋白酶

原標題：贏得諾獎不是終點！David Baker再獲里程碑突破——AI首次從頭設計出蛋白酶
文章來源：人工智能學家
內容字數：10460字

AI賦能酶設計：從頭設計高效絲氨酸水解酶

酶是高效的生物催化劑，設計能夠催化任意化學反應的酶一直是科學家的目標。華盛頓大學David Baker團隊利用AI技術取得了突破性進展，成功從頭設計了一種能夠催化四步化學反應的絲氨酸水解酶，并在Science期刊發表了相關研究成果。

1. 酶設計的挑戰與突破

傳統酶工程修改現有酶，如同修改舊西裝，難以達到完美契合。而從頭設計酶，如同量身定制新西裝，更能滿足特定需求。但此前，AI從頭設計酶的嘗試收效甚微，設計出的酶通常無法催化多步反應。該研究克服了這一難題，成功設計出能夠催化四步絲氨酸水解反應的酶，催化效率比之前類似酶高6萬倍，實現了酶工程領域的里程碑式突破。

2. AI算法的巧妙應用

研究團隊結合了多種AI算法，包括用于從頭生成蛋白質骨架的RFdiffusion算法和用于改進結構設計的深度神經網絡PLACER。PLACER如同過濾器，檢查酶的活性位點是否兼容并被正確安排以完成反應的每一步。研究團隊還使用了LigandMPNN設計蛋白質序列，并通過Rosetta FastRelax進行優化，以及AlphaFold2預測設計酶的結構。

3. 研究步驟及成果

該研究主要步驟包括：1. 活性位點生成；2. 蛋白質骨架生成；3. 序列設計；4. 過濾與篩選；5. 實驗驗證。實驗驗證顯示，設計出的絲氨酸水解酶能夠完成所有四步化學反應，催化效率高達2.2×105 M-1 s-1，其晶體結構與設計模型高度吻合。更重要的是，該酶具有五種不同于天然絲氨酸水解酶的折疊結構，擴展了這一古老酶家族的結構空間。

4. 未來展望與應用前景

雖然該研究證明了AI能夠從頭設計復雜的酶，但設計出的絲氨酸水解酶催化效率仍不及天然酶。研究團隊計劃進一步優化其結構，提高催化速度和效率，并嘗試設計用于分解塑料的絲氨酸水解酶。這項研究為設計其他類型的酶提供了新的思路和方法，在生物技術、醫藥和環保等領域具有廣闊的應用前景，例如在塑料降解和回收方面。

5. 總結

這項研究成功地利用多種AI算法，從頭設計了具有高效催化活性和新型折疊結構的絲氨酸水解酶，展示了AI在酶設計領域的巨大潛力。該成果不僅推動了酶設計領域的發展，也為解決各種化學挑戰，例如合成藥物化合物或分解微塑料，提供了新的可能性，為利用大自然的效率提供了新途徑。

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