瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院9日宣布，将2024年诺贝尔化学奖授予美国华盛顿大学西雅图分校的戴维·贝克，以及谷歌旗下“深层思维”公司的德米斯·哈萨比斯和约翰·江珀，以表彰他们破解了蛋白质神奇结构的密码。
大家有没有想过，在你体内，每时每刻都在上演着一场场宏伟的“分子舞蹈”？这些“舞者”就是蛋白质，它们按照特定的节奏和步骤，演绎着生命的乐章。几十年来，科学家们一直试图解开这些“舞者”精准动作背后的秘密——这曾被视为不可能实现的梦想。直到人工智能的出现，这一切有了惊人的突破。今年的诺贝尔化学奖，正是颁给了那些利用人工智能破解蛋白质奥秘的科学家们。现在就让我们走进这神奇的故事吧！
文｜晶恒
本文转载自微信公众号“科学伙伴”（ID：sciencepartner），原文首发于2024年10月10日，标题为《人工智能的魔法如何破解生命的密码——解读2024诺贝尔化学奖背后的故事》。
图片来源：诺贝尔奖委员会官网蛋白质，被誉为生命的“建筑砖块”，在人体内承担着无数关键角色。它们是构成骨骼、肌肉、皮肤的基石，是驱动肌肉收缩的“发动机”，是阅读和修复DNA的“工人”，也是调节生理功能的“信使”。可以说，没有蛋白质，就没有生命。
蛋白质通常由20种不同的氨基酸按照特定顺序连接而成，就像用不同颜色的珠子串成一条项链。然而，更为复杂的是，这条“项链”会以特定的方式折叠，形成独特的三维结构。这种三维结构决定了蛋白质的功能，就好比钥匙的形状决定了它能开启哪把锁。因此，了解蛋白质的三维结构是理解生命运作的关键。自19世纪起，科学家们就认识到蛋白质在生命过程中的重要性。然而，直到20世纪50年代，随着X射线晶体学等技术的发展，他们才开始解析蛋白质的三维结构。但这个过程极为艰难。30年前，如果一个研究生能够通过实验解析一种蛋白质的结构，就足以写成一篇博士论文。因为这不仅需要进行繁琐的实验和计算，还要会耗费数年时间。20世纪70年代，科学家们意识到，蛋白质的氨基酸序列中蕴含着如何折叠的信息，但这就像是知道了“舞者”的基本动作，却无法预测他们将如何完成一支完整的舞蹈。于是，他们怀揣着一个伟大的梦想：能否根据已知的氨基酸序列，预测出蛋白质的三维结构？蛋白质是由几十个、几百个甚至上千个氨基酸通过化学键串联在一起的。每个氨基酸都有可能以不同的方式折叠。组合的可能性多到令人难以想象。有人曾比喻说，要完全枚举一个中等大小蛋白质的所有可能折叠方式，其数量比宇宙中的原子总数还要多。这被称为“列文塔尔悖论”，暗示了用传统计算方法预测蛋白质结构的不可行性。多年来，预测蛋白质三维结构被认为是“不可能完成的任务”，是生命科学领域的“圣杯”。就在科学家们为这个难题苦苦思索之际，人工智能的发展为他们带来了新的希望。
2016年，一款名为“阿尔法围棋”（AlphaGo）的人工智能程序震惊了世界。这个被人们爱称为“阿尔法狗”的人工智能在围棋比赛中击败了世界冠军李世石，展示了人工智能在处理复杂问题上的强大能力。开发这款程序的，就是谷歌旗下的“深度思维”（DeepMind）公司联合创始人兼CEO德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis），他当时起就已经是这场科技革命的领军人物了。小哈萨比斯从4岁起就展现出非凡的智力天赋，尤其在国际象棋方面可以说才华横溢。他对人类大脑和智能的研究使他意识到，人工智能可以在复杂问题的解决上发挥巨大的作用。受“阿尔法围棋”的成功启发，哈萨比斯和他的团队将目光投向了生命科学领域。他们想知道，能否利用人工智能，来破解蛋白质的结构预测难题？于是，他们邀请了约翰·江珀（John Jumper）加入团队。江珀是一位在理论化学和机器学习领域有深厚造诣的科学家。他们共同开发了“阿尔法折叠”（AlphaFold）这一革命性的人工智能模型。2020年，“阿尔法折叠2”在被誉为生物计算领域“奥运会”的“蛋白质结构预测关键评估”（CASP）比赛中亮相。它以远超其他参赛者的准确度，预测了多种蛋白质的结构，震惊了整个科学界。评委们惊呼，这可能是首次有机会真正解决了蛋白质结构预测问题了。科研团队利用了深度学习技术，科学家们训练“阿尔法折叠2”去理解氨基酸序列和蛋白质三维结构之间的复杂关系。可以说，它就像是一个天才的“拼图高手”，通过学习大量的已知结构，推断出未知的拼图全貌。更令人震惊的是，它能够在短时间内预测出几乎所有已知的2亿种蛋白质的结构。这一壮举，相当于为科学家们打开了一座巨大的宝库，而里面蕴藏着无数关于生命的奥秘。“阿尔法折叠2”的问世，标志着人工智能走进了科学研究的各个领域，科研工作进入了一个新纪元。它的影响超出了生物学，辐射到了医学、化学、药学等多个领域。
了解蛋白质的结构对于开发新药至关重要。药物通常通过与特定蛋白质结合来发挥作用。如果能够知道目标蛋白质的三维结构，就可以设计出与之精确匹配的药物分子。过去，确定一个蛋白质的结构可能需要数年时间。而现在，借助“阿尔法折叠2”，这个过程被大大缩短。研究人员可以更快地筛选和设计潜在的药物，从而加速新药的研发。对于一些复杂的疾病，如阿尔茨海默症、帕金森病等，蛋白质错误折叠被认为是病因之一。通过研究蛋白质的结构和折叠过程，科学家们有望揭示这些疾病的机制。在环保领域，设计特定的蛋白质可以用于分解污染物，如塑料和有毒化学物质。这将为环境保护提供新的解决方案。在工业生产中，酶是一类重要的蛋白质，作为催化剂用于化学反应。通过设计更高效的酶，可以提高生产效率，降低能源消耗，实现更绿色的化工生产。除了预测自然界已有的蛋白质结构，科学家们业已开始探索设计全新的蛋白质。这就像是从阅读生命的“书籍”到创作新的“篇章”。
贝克教授带领他的团队开发了“Rosetta”软件，成功构建了自然界中不存在的新型蛋白质。他们首先设想出所需蛋白质的三维结构，然后利用软件计算出能够形成该结构的氨基酸序列。为了验证设计的准确性，他们将生成的基因序列引入细菌，让细菌“生产”出这些蛋白质。通过实验，他们证实了这些蛋白质的结构与预期高度吻合。也就是说，通过设计新的蛋白质，科学家们可以创造出具有特定功能的分子。这为医疗、材料科学、环境保护等领域带来了无限的可能。这一成果于2003年发表，捭开了蛋白质设计的新篇章。贝克教授在获奖当天表示，蛋白质结构预测真正凸显了人工智能的力量。借助人工智能，设计蛋白质的能力和准确性得到了极大的提高。人工智能的发展，使得这一曾经遥不可及的梦想正在一步步成为现实。有人可能会担心，人工智能的发展是否会取代人类的工作？但从哈萨比斯、江珀和贝克的故事中，我们看到的却是人工智能与人类智慧的完美结合。
哈萨比斯将人工智能视为放大人类能力的工具。他认为，人工智能可以帮助我们更快、更好地解决复杂的问题，但人类的创造力和想象力仍然是不可替代的。贝克也表示，他的成就是建立在前人工作的基础上，是站在巨人的肩膀上取得的。回顾这个令人激动的故事，我们不禁对未来充满期待。人工智能的魔法，正在为我们打开通往未知领域的大门。哈萨比斯、江珀、贝克等科学家的努力，证明了人类智慧与技术力量的结合，可以创造出惊人的奇迹。诺贝尔化学奖的颁发，不仅是对这些科学家成就的肯定，也是对人工智能在科学进步中作用的认可。我们站在了生命科学革命的起点，未来充满了无限的可能。正如一句谚语所说：“预测未来的最佳方式就是创造未来。”让我们怀着对未知的好奇，迎接人工智能带来的挑战和机遇。或许，下一个伟大的发现，就在不远的前方等着你呢。欢迎关注瞭望智库视频号
库叔福利
库叔的赠书活动一直都在！星文文化为库叔提供7本《愿你顺风顺水，自成山海》赠予热心读者。作家DTT沉淀7年，带给年轻人一部全新的成长答案之书，30+个高频内耗的难题，38篇明媚温柔的文字写给每一个困惑、惶惑、难以为继的你：没有正确的选择，只有我们各自选择的正确。请大家在文章下评论，点赞最高的第1名（数量超过30）将得到赠书。库友们也可以点击下方链接购买，可享优惠价格。
