2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域作出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)的美國(guó)科學(xué)家戴維·貝克，以及在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方面作出突出貢獻(xiàn)的英國(guó)科學(xué)家杰米斯·哈薩比斯和美國(guó)科學(xué)家約翰·江珀。他們的研究極大地促進(jìn)了人類對(duì)蛋白質(zhì)的理解和認(rèn)識(shí)，為生物學(xué)研究帶來(lái)了革命性的變化，推動(dòng)生命科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

《科學(xué)畫報(bào)》編輯部

文/鄧元慧 王國(guó)強(qiáng)

鄧元慧，中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院副研究員。

王國(guó)強(qiáng)，中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)之路曲折漫長(zhǎng)

18世紀(jì)以前，人們就已在生活實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有一種“類膠質(zhì)”的“動(dòng)物物質(zhì)”——在加熱時(shí)，它們會(huì)變成堅(jiān)硬的角狀物質(zhì)；在潮濕、溫暖的環(huán)境中則腐爛變臭，產(chǎn)生堿性的揮發(fā)物。這些特征與在潮濕、溫暖的儲(chǔ)藏環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)的淀粉、糖類以及多數(shù)的植物體有著天壤之別。

18世紀(jì)的一些發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了蒙在這個(gè)問(wèn)題上的面紗一角。1728年，意大利學(xué)者雅各布·貝卡里將和好的生面團(tuán)在水中揉搓清洗，除去細(xì)小的白色淀粉顆粒，獲得了有黏性的面筋團(tuán)。他認(rèn)為，面筋具有“動(dòng)物物質(zhì)”的全部特性，才使小麥富有營(yíng)養(yǎng)。事實(shí)上，中國(guó)人早已發(fā)現(xiàn)面筋這種物質(zhì)，但遺憾的是我們并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行深入的研究。

1785年，法國(guó)化學(xué)家安托萬(wàn)·富克魯瓦發(fā)現(xiàn)，人類和動(dòng)物的肌肉纖維都含有一種化學(xué)性質(zhì)與凝固血液中的纖維物質(zhì)相似的物質(zhì)。1838年，荷蘭化學(xué)家赫拉爾杜斯·米爾德將白蛋白、纖維蛋白、酪蛋白等暴露于多種化學(xué)試劑的作用下，獲得了它們的氧化、氯化、硝化等產(chǎn)物。他發(fā)表論文《動(dòng)物物質(zhì)的組成》指出，所有蛋白質(zhì)都由碳、氫、氮和氧的自由基化合物（蛋白質(zhì)）以及不同數(shù)量的硫和磷組成。因此，用一個(gè)含有碳、氫、氧、氮的化學(xué)式作為它們的通式，再加上不同數(shù)量的含硫或含磷基團(tuán)，就可以表示這種類型的不同化合物。他提出，動(dòng)物通過(guò)食用植物就可以獲取大部分蛋白質(zhì)。在瑞典著名化學(xué)家約恩斯·貝爾塞柳斯的建議下，米爾德第一次使用了“蛋白質(zhì)”（法語(yǔ)proteine，源于希臘詞匯proteios，意為“第一位的”）一詞，將其作為生命系統(tǒng)中最重要的物質(zhì)。

荷蘭化學(xué)家赫拉爾杜斯·米爾德

1902年，德國(guó)化學(xué)家赫爾曼·費(fèi)歇爾與弗朗茨·霍夫邁斯特幾乎同時(shí)提出了多肽結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，即“相同或不同種類的氨基酸通過(guò)肽鍵相連形成了多肽鏈，一條或多條多肽鏈組成了蛋白質(zhì)”的設(shè)想，并進(jìn)行了驗(yàn)證。我們可以將蛋白質(zhì)想象成一條由氨基酸串成的項(xiàng)鏈，每一種蛋白質(zhì)項(xiàng)鏈的串珠都有它獨(dú)特的排列方式，有的長(zhǎng)、有的短，且不同的排列和鏈接方式會(huì)使項(xiàng)鏈具有不一樣的三維形狀，或彎曲，或扭轉(zhuǎn)，或折疊。1907年，費(fèi)歇爾還嘗試使用光反應(yīng)合成了18肽的長(zhǎng)鏈，這個(gè)肽鏈雖然只含有15個(gè)甘氨酸和3個(gè)亮氨酸，卻是蛋白質(zhì)肽鍵結(jié)構(gòu)理論的一個(gè)初步證明，為后人開(kāi)展蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究奠定了方法基礎(chǔ)。

然而，關(guān)于“蛋白質(zhì)是大分子”的理論確立并非一帆風(fēng)順。受膠體化學(xué)理論的影響，化學(xué)家錯(cuò)誤地將蛋白質(zhì)視為膠體，而非具有特定結(jié)構(gòu)的分子，這種誤解影響了初步形成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。1922年，德國(guó)高分子化學(xué)家赫爾曼·施陶丁格在天然橡膠中發(fā)現(xiàn)了存在高分子長(zhǎng)鏈的直接證據(jù)，提出了高分子是由長(zhǎng)鏈大分子構(gòu)成的觀點(diǎn)，動(dòng)搖了傳統(tǒng)的膠體理論，并將大分子的概念引入生物化學(xué)。1925年，瑞典化學(xué)家特奧多爾·斯韋德貝里研制出超速離心機(jī)，用于蛋白質(zhì)和膠體研究，并第一次測(cè)定了蛋白質(zhì)的分子量。此后，蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接成的大分子和多肽結(jié)構(gòu)理論逐漸被科學(xué)界認(rèn)可。

德國(guó)高分子化學(xué)家赫爾曼·施陶丁格

新奇而又神秘的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)探索之旅

隨著蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)的確立以及分析手段的不斷演進(jìn)，到20世紀(jì)50年代蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)已基本得到闡明。1931年，中國(guó)生物化學(xué)家吳憲從研究蛋白質(zhì)的變性出發(fā)，提出蛋白質(zhì)變性是由于天然蛋白質(zhì)中緊緊盤繞的肽鏈展開(kāi)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)瓦解所致。這一結(jié)論曾得到國(guó)際生化學(xué)界的廣泛承認(rèn)。然而，關(guān)于蛋白質(zhì)如何維持其天然構(gòu)象的化學(xué)機(jī)制，仍是未解之謎。1936年，美國(guó)化學(xué)家艾爾弗雷德·米爾斯基與萊納斯·鮑林等人共同揭示了蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)中除了強(qiáng)有力的肽鍵之外，還存在著一種較弱的氫鍵，且正是這種氫鍵，在維持長(zhǎng)肽鏈穩(wěn)定構(gòu)象方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一旦氫鍵遭到破壞，蛋白質(zhì)就會(huì)發(fā)生變性。1950年，鮑林與合作伙伴羅伯特·科里進(jìn)一步闡釋了氫鍵如何使蛋白質(zhì)大分子的整體外觀呈現(xiàn)螺旋狀結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)深化了我們對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)辟了新天地。

英國(guó)生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格

電泳法、色層析法、紙層析法等的發(fā)明，為科學(xué)家分離、提純和鑒定蛋白質(zhì)中的氨基酸奠定了基礎(chǔ)。1955年，英國(guó)生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格應(yīng)用紙層析法、電泳法等首次完整地測(cè)定了胰島素的氨基酸序列，同時(shí)證明蛋白質(zhì)具有明確構(gòu)造，為準(zhǔn)確了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)功能之間的關(guān)系、研究蛋白質(zhì)的人工合成和蛋白質(zhì)的生物合成奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末，英國(guó)生物學(xué)家約翰·肯德魯和馬克斯·佩魯茨將蛋白質(zhì)培育成晶體，用X射線轟擊它們，并測(cè)量射線的彎曲情況。通過(guò)這種方法，他們確定了血紅蛋白和肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)，展示了第一個(gè)蛋白質(zhì)的三維模型。這種技術(shù)被稱為X射線晶體學(xué)。隨著這一方法的不斷改進(jìn)，特別是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合后，蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)分析速度逐漸加快，分辨率也越來(lái)越高，一些蛋白質(zhì)的氨基酸順序和立體結(jié)構(gòu)相繼得到了闡明，為科學(xué)家能在蛋白質(zhì)大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)，甚至三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系提供了支撐。

英國(guó)生物學(xué)家約翰·肯德魯（左）和馬克斯·佩魯茨（右）

雖然科學(xué)家早已用經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)的縮合方法合成多肽，但這僅限于很簡(jiǎn)單的氨基酸縮合，還不能合成出天然蛋白質(zhì)。隨著20世紀(jì)50年代蛋白質(zhì)大分子中氨基酸的測(cè)序技術(shù)的突破，用化學(xué)方法合成天然蛋白質(zhì)成為科學(xué)家新的重要研究方向，胰島素的人工合成成為各國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)相突破的重要問(wèn)題。中國(guó)的科學(xué)家花了7年多的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了這一重大突破。同期，美國(guó)生物化學(xué)家羅伯特·梅里菲爾德建立了多肽固相合成技術(shù)，這一技術(shù)與傳統(tǒng)制造多肽方法相比更加簡(jiǎn)便、高效，成為多肽合成的基本方法。他還研制了第一臺(tái)自動(dòng)化合成儀，大大提升了蛋白質(zhì)合成的效率。

中國(guó)科學(xué)家首次合成人工牛胰島素

人工智能為蛋白質(zhì)的解密插上“翅膀”

時(shí)至今日，我們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到蛋白質(zhì)在生命體中發(fā)揮著核心作用，參與了幾乎所有生物體內(nèi)的生化過(guò)程。但是，蛋白質(zhì)是如何從一維的氨基酸鏈折疊成三維的空間結(jié)構(gòu)的？已發(fā)現(xiàn)的這些蛋白質(zhì)又是如何在機(jī)體中發(fā)揮作用的？我們是否能設(shè)計(jì)創(chuàng)造出自然界中沒(méi)有的蛋白質(zhì)？

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)生物化學(xué)家克里斯蒂安·安芬森提出了假說(shuō)：蛋白質(zhì)的氨基酸序列包含其天然結(jié)構(gòu)的全部信息，而蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)是其熱力學(xué)最穩(wěn)態(tài)。人們開(kāi)始猜想：如果化學(xué)家知道蛋白質(zhì)的氨基酸序列，是否就能夠預(yù)測(cè)出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)？這就是我們常說(shuō)的蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題。直到2005年，蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題仍被《科學(xué)》雜志列為125個(gè)未解決的科學(xué)問(wèn)題之一，蛋白質(zhì)對(duì)人類來(lái)說(shuō)依舊“讀之難解其句，思之難釋其惑”。

幾十年來(lái)，科學(xué)家不斷尋找著解密蛋白質(zhì)的線索，并建立了蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。從1971年建立時(shí)僅有7個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，到1992年達(dá)到了700多個(gè)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都是科學(xué)家耗時(shí)多年努力的成果。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)主義者還在花費(fèi)大量時(shí)間研究蛋白質(zhì)的物理模型時(shí)，計(jì)算主義者開(kāi)始了通過(guò)編寫程序來(lái)探求蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的嘗試。如何將兩種研究方向和思路結(jié)合起來(lái)，使蛋白質(zhì)研究既擁有計(jì)算主義者的工作速度，又能保證有實(shí)驗(yàn)主義者的工作精度呢？為了解決這一問(wèn)題，1994年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)和分子遺傳學(xué)系教授約翰·莫爾特等人舉辦了結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)關(guān)鍵評(píng)估競(jìng)賽，這個(gè)競(jìng)賽活動(dòng)每?jī)赡觊_(kāi)展一次，旨在確定和推進(jìn)從氨基酸序列建模蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)水平。在活動(dòng)中，組織者會(huì)發(fā)布一份已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)結(jié)構(gòu)但尚未發(fā)表的蛋白質(zhì)氨基酸序列列表。世界各地的計(jì)算團(tuán)隊(duì)會(huì)使用各自的方法來(lái)預(yù)測(cè)這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，最后由一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)家小組對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)評(píng)選出最佳的技術(shù)方法。這個(gè)活動(dòng)迅速成為蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題計(jì)算方法的試驗(yàn)場(chǎng)。

在1998年舉辦的第三屆結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)關(guān)鍵評(píng)估競(jìng)賽中，戴維·貝克的算法“羅塞塔”（Rosetta）一鳴驚人。在這個(gè)算法中，貝克將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的蛋白質(zhì)打碎成小肽段，并通過(guò)隨機(jī)插入組裝的方法，用能量函數(shù)判斷是否接受每一步，像搭積木一樣。雖然這個(gè)算法準(zhǔn)確率仍有待提升，但貝克認(rèn)為，既然“羅塞塔”算法的蛋白質(zhì)構(gòu)象空間搜索和能量評(píng)估已經(jīng)取得一定成績(jī)，為什么不反其道而行之？從結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，再計(jì)算能折疊成該結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列。2003年，貝克團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了首個(gè)具有全新折疊方式的Top7蛋白，從此開(kāi)啟了計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的新紀(jì)元。自那以來(lái)，貝克實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了各種功能、形態(tài)各異的蛋白質(zhì)，從化學(xué)催化酶到藥物結(jié)合蛋白靶點(diǎn)、小分子結(jié)合蛋白，再到納米材料等。蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)成為蛋白質(zhì)研究的重要方向。

首個(gè)具有全新折疊方式的Top7蛋白

在此過(guò)程中，人工智能逐漸嶄露頭角。2016年3月，當(dāng)人工智能公司DeepMind的聯(lián)合創(chuàng)始人哈薩比斯見(jiàn)證了“阿爾法圍棋”（AlphaGo）擊敗人類圍棋世界冠軍后，他回想起了自己在大學(xué)時(shí)挑戰(zhàn)由貝克設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)折疊游戲Foldit的情景。他大膽設(shè)想了可以讓人工智能參與到蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的解析中。2017年，江珀加入DeepMind，與哈薩比斯等人一起開(kāi)始了人工智能蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型的研究。2020年，他們開(kāi)發(fā)的“阿爾法折疊2”（AlphaFold 2）大獲成功。這個(gè)模型能夠根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸序列預(yù)測(cè)其復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，并且達(dá)到了原子級(jí)精度，解決了困擾人類50年的蛋白質(zhì)折疊難題。

盡管“阿爾法折疊2”的預(yù)測(cè)并不能說(shuō)是完美無(wú)瑕，但它極大地提升了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的速度，并打破了結(jié)構(gòu)生物學(xué)原本的研究范式。2021年，“阿爾法折疊2”完成了人類所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。2022年7月，“阿爾法折疊2”為蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了2億多種蛋白質(zhì)的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。最新推出的“阿爾法折疊3”（AlphaFold 3）已不僅僅是單純地對(duì)簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，它可以高準(zhǔn)確度和高精度預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)復(fù)合物、蛋白質(zhì)-核酸、蛋白質(zhì)與小分子配體等三維結(jié)構(gòu)。

通過(guò)蛋白質(zhì)研究探尋生命的密碼，仿佛是在崇山峻嶺間攀緣，以摘取那顆照亮生命科學(xué)奧秘的璀璨明珠，是人類百年來(lái)的宏偉夢(mèng)想。在人工智能的助力下，科學(xué)家正以前所未有的速度和精確度，讓夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。人工智能不僅深化了我們對(duì)生命科學(xué)的認(rèn)知，更為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的研究和發(fā)展路徑，帶來(lái)了新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新的契機(jī)，更預(yù)示了未來(lái)無(wú)限的可能。

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2025年《科學(xué)畫報(bào)》