人工智能召唤出加速化学反应的蛋白质

科学家们首次使用机器学习来创造全新的酶，这些酶是加速化学反应的蛋白质。这是蛋白质设计领域的重要一步，因为新的酶可以在医学和工业制造中有许多用途。

“生物体是非凡的化学家。他们不依赖有毒化合物或极端高温，而是使用酶在温和的条件下分解或构建他们需要的任何东西。新的酶可以使可再生化学品和生物燃料触手可及，”华盛顿大学医学院生物化学教授、2021 年生命科学突破奖获得者大卫·贝克说。

正如 2 月 22 日在《自然》杂志上报道的那样， 威斯康星大学医学蛋白质设计研究所 的一个团队设计了机器学习算法，可以创建称为荧光素酶的发光酶。实验室测试证实，新酶可以识别特定化学物质并非常有效地发光。该项目由贝克实验室的两名博士后学者 Andy Hsien-Wei Yeh 和 Christoffer Norn 领导。

Nature论文的标题是 De novo design of luciferases using deep learning。

为了创造新的荧光素酶，该团队首先选择了一种叫做荧光素的化学物质，他们希望蛋白质能够对其起作用。然后他们使用软件生成数千种可能与这些化学物质发生反应的蛋白质结构。

在实验室测试期间，研究人员发现了一种有效的酶，称为 LuxSit(让光亮)。该酶进行了所需的化学反应。酶的精制导致性能的显着提高。一种被称为 LuxSit-i 的优化酶产生了足够的光，肉眼可见。人们发现它比在发光的海堇Renilla reniformis中发现的天然荧光素酶更亮。

“我们能够在计算机上从头开始设计非常有效的酶，而不是依赖自然界中发现的酶。这一突破意味着原则上可以设计用于几乎任何化学反应的定制酶，”Yeh 说。

新的酶可以使生物技术、医学、环境修复和制造业受益。例如，在生物技术中，酶可以改善生物燃料生产、食品加工和制药生产。在医学中，酶可以作为治疗和诊断工具。酶设计可以通过分解污染物或清理污染场地来改善环境。酶也可能有助于生产新材料，例如可生物降解的塑料和粘合剂。

这项研究由威斯康星大学医学院的科学家领导，包括加州大学洛杉矶分校的合作者。

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所、国立卫生研究院 (K99EB031913)、联合世界抗病毒研究网络、国家过敏和传染病研究所 (1 U01 AI151698-01)、蛋白质设计研究所大胆项目的支持，开放慈善项目改进蛋白质设计基金，Novo Nordisk 基金会 (NNF18OC0030446)，国家科学基金会 (CHE-1764328，OCI-1053575)，以及 Eric 和 Wendy Schmidt，由 Schmidt Futures 计划推荐。国家自然科学基金(22103060)提供部分计算资源。