2024年諾貝爾化學(xué)獎得主大衛(wèi)·貝克（David Baker）、德密斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）、約翰·喬普（John M. Jumper）（圖片來源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)）

2024年諾貝爾化學(xué)獎頒給“AI蛋白質(zhì)設(shè)計和結(jié)構(gòu)預(yù)測”，一半授予大衛(wèi)·貝克（David Baker），“以表彰在計算蛋白質(zhì)設(shè)計方面的貢獻(xiàn)”；另一半則共同授予德米斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）和約翰·喬普（John M. Jumper），“以表彰他們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方面的成就”。

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，它們不僅控制并驅(qū)動著生命體內(nèi)的所有化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)共同構(gòu)成了生命的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)是具有數(shù)億種不同形狀的分子，從在血液中攜帶氧氣到引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，每一種蛋白質(zhì)都具有特定的生物功能，其功能通常由其形狀或結(jié)構(gòu)來定義。

圖片來源：RCSB PDB

70年前，蛋白質(zhì)被認(rèn)為是一種凝膠狀物質(zhì)。現(xiàn)在，我們不僅能從頭構(gòu)建全新種類的蛋白質(zhì)，還能夠預(yù)測蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提供寶貴的信息，既可用于推理生物過程，也可用于實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的藥物開發(fā)或靶向誘變等干預(yù)措施。

David Baker：構(gòu)建全新蛋白質(zhì)種類的壯舉

大衛(wèi)·貝克（David Baker），1962年出生于美國華盛頓州西雅圖，現(xiàn)為華盛頓大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)計研究所所長，同時也是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院的杰出科研人員。

主要貢獻(xiàn)：David Baker在計算蛋白質(zhì)設(shè)計方面取得了開創(chuàng)性的成就。他成功研發(fā)出羅塞塔軟件，設(shè)計出自然界中從未存在的新蛋白質(zhì)，這一開創(chuàng)性工作不僅推動了蛋白質(zhì)科學(xué)的邊界，還為藥物研發(fā)、疫苗設(shè)計等領(lǐng)域帶來了革命性的突破。貝克教授的研究成果備受矚目，曾榮獲2021年科學(xué)突破獎·生命科學(xué)獎。

利用羅塞塔（Rosetta）軟件構(gòu)建蛋白質(zhì)

通過計算方法和先進(jìn)的生物技術(shù)，Baker及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計出的新型蛋白質(zhì)在藥物開發(fā)、材料科學(xué)以及環(huán)境治理等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這些蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)不僅推動了蛋白質(zhì)科學(xué)的邊界，還為生物醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)等多個領(lǐng)域帶來了革命性的變化。

Demis Hassabis和John Jumper：AI模型預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

主要貢獻(xiàn)：Demis Hassabis和John Jumper開發(fā)了一個基于人工智能（AI）的模型，成功解決了困擾科學(xué)界長達(dá)50年的問題——預(yù)測蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。他們利用AI技術(shù)成功預(yù)測了幾乎所有已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為科學(xué)界提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。其中，AlphaFold2是他們開發(fā)的人工智能工具，其三維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型的準(zhǔn)確率超過90%，比最接近的競爭對手高出5倍。這一成就為蛋白質(zhì)科學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

德米斯·哈薩比斯（Demis Hassabis），1976年7月出生于英國倫敦，4歲開始下國際象棋，8歲開始自學(xué)編程。本科以計算機(jī)科學(xué)雙一的成績畢業(yè)于劍橋大學(xué)，后來在倫敦大學(xué)學(xué)院完成了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，又在MIT和哈佛做博士后。

他是一位兼具計算機(jī)科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)背景的杰出科學(xué)家，并以DeepMind公司創(chuàng)始人身份聞名。哈薩比斯不僅在人工智能領(lǐng)域取得重大突破，開發(fā)出顛覆圍棋界的AlphaGo，2016年3月，AlphaGo在世界圍棋錦標(biāo)賽上擊敗了世界冠軍李世石，這一事件震驚了世界，也標(biāo)志著人工智能在圍棋這一復(fù)雜領(lǐng)域取得了重大突破。

除了圍棋領(lǐng)域外，DeepMind還將探索方向轉(zhuǎn)向蛋白質(zhì)折疊這一科學(xué)難題。2018年12月，DeepMind的AlphaFold成功預(yù)測了43種蛋白質(zhì)中25種蛋白質(zhì)的最準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)，贏得了第13屆蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)關(guān)鍵評估（CASP）。

此后，AlphaFold不斷取得新進(jìn)展。2020年，DeepMind公司又開發(fā)出了AlphaFold2，徹底碾壓了此前所有的預(yù)測軟件，其中就包括羅塞塔。

使用AlphaFold2設(shè)計的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

2021年7月，DeepMind首次通過與歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）合作建立的數(shù)據(jù)庫公開發(fā)布AlphaFold預(yù)測結(jié)果，成功預(yù)測了近98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供了有力支持。

約翰·喬普（John M. Jumper），1985年出生于美國阿肯色州，自幼便展現(xiàn)出對科學(xué)和數(shù)學(xué)的濃厚興趣。本科階段就讀于一所私立名校，主修理論物理，這一學(xué)術(shù)背景為他日后在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨后，詹珀前往芝加哥大學(xué)深造，并獲得了博士學(xué)位，研究方向是使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）來模擬蛋白質(zhì)折疊和動力學(xué)，這一領(lǐng)域的研究為他日后的工作提供了重要的技術(shù)支持。

他是谷歌DeepMind團(tuán)隊(duì)的高級研究科學(xué)家，AlphaFold的第一作者。作為AlphaFold項(xiàng)目的核心成員，他與團(tuán)隊(duì)成員共同開發(fā)出了AlphaFold這一革命性的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型。AlphaFold能夠直接從蛋白質(zhì)的氨基酸序列中預(yù)測蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)，并且達(dá)到原子級精度，這一成就被認(rèn)為解決了困擾人類長達(dá)50年的蛋白質(zhì)折疊挑戰(zhàn)。

2024年5月，DeepMind團(tuán)隊(duì)又推出了AlphaFold 3，以前所未有的精確度預(yù)測了幾乎所有的生命分子，包括蛋白質(zhì)、DNA和RNA的三維結(jié)構(gòu)，以及它們之間的相互作用模式。

AlphaFold3準(zhǔn)確預(yù)測生物分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

AlphaFold的推出迅速推進(jìn)了人類對基本生物過程的理解，并促進(jìn)了藥物設(shè)計等領(lǐng)域的發(fā)展。如今，全球已有數(shù)百萬研究人員將AlphaFold應(yīng)用在瘧疾疫苗、癌癥治療和酶設(shè)計等領(lǐng)域，取得了不少新的發(fā)現(xiàn)。

未來展望

David Baker、Demis Hassabis和John Jumper的發(fā)現(xiàn)不僅展示了科學(xué)研究的創(chuàng)新性和前瞻性，還體現(xiàn)了跨學(xué)科合作的重要性。計算科學(xué)、生物技術(shù)和人工智能的緊密結(jié)合使得他們能夠在蛋白質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域取得如此重大的突破。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域雖已取得里程碑式的進(jìn)展，但仍面臨蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、算法解釋性及生物多樣性與個體差異等挑戰(zhàn)。每一步都考驗(yàn)著科研人員的專業(yè)素養(yǎng)與創(chuàng)新精神。

隨著對這些新型蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的深入研究，我們相信這些發(fā)現(xiàn)推動技術(shù)創(chuàng)新與跨學(xué)科合作，以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的預(yù)測，為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及藥物研發(fā)等領(lǐng)域帶來更多突破與福祉。

致敬諾貝爾獎化學(xué)獎獲得者，及在蛋白質(zhì)設(shè)計和結(jié)構(gòu)預(yù)測領(lǐng)域繼續(xù)耕耘的研究者！

References：

1. Tunyasuvunakool K, Adler J, Wu Z, Green T, Zielinski M, ?ídek A, Bridgland A, Cowie A, Meyer C, Laydon A, Velankar S, Kleywegt GJ, Bateman A, Evans R, Pritzel A, Figurnov M, Ronneberger O, Bates R, Kohl SAA, Potapenko A, Ballard AJ, Romera-Paredes B, Nikolov S, Jain R, Clancy E, Reiman D, Petersen S, Senior AW, Kavukcuoglu K, Birney E, Kohli P, Jumper J, Hassabis D. Highly accurate protein structure prediction for the human proteome. Nature. 2021 Aug;596(7873):590-596. doi: 10.1038/s41586-021-03828-1.

2. Abramson J, Adler J, Dunger J, et al.  Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature. 2024 Jun;630(8016):493-500. doi: 10.1038/s41586-024-07487-w.

3.https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2024/press-release/

4.https://www.technologyreview.com/2016/03/31/161234/how-google-plans-to-solve-artificial-intelligence/