Science重磅！人工智能助力設計“更好、更快、更強”的蛋白質

文章作者: 基因編輯大師 文章來源：基因編輯大師

大自然擅長設計各種蛋白質。科學家們甚至能做的更好。但人工智能有望多次改善蛋白質。這種“設計者蛋白”在醫學的應用范圍，涵蓋從制造更精確的抗體來治療自身免疫性疾病或癌癥，到開發更有效的病毒疫苗。應用還可能超出醫學范圍，例如種植更好的作物，這些作物可能更有營養或從大氣中吸收更多的二氧化碳。

最近，來自Mass General Brigham and Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC)的研究人員，開發了一種名為EVOLVEpro的人工智能（AI）工具，該工具可能代表了蛋白質工程的一次飛躍。在《Science》雜志上發表的一篇論文中，研究小組通過應用該模型來設計六種具有不同應用的蛋白質，展示了該工具使蛋白質更穩定、更精確和更高效的能力。

本文共同資深作者Omar Abudayyeh博士說：“像這樣一種工具的力量在于，我們不受進化的限制。使用人工智能，我們可以選擇以任何需要的方式來優化蛋白質，使其更好。我們可以制造一種更好、更快、更強的蛋白質。我們可以設計的使它更有效地與靶標結合，以改善治療或改善其功能。如果我們能測量它，我們就可以改進它。”

蛋白質工程的概念并不新鮮，但人工智能和大型語言模型的出現，正在開始徹底改變該領域。蛋白質語言模型（PLM）可以學習蛋白質的“語法”，從大型基因組數據庫中讀取蛋白質序列，并提供建議，以科學家指定的方式改進蛋白質。與新的LLM非常相似，EVOLVEpro充當了先前模型之上的一層，可以在響應之前進行推理并提供更多思考。

本文共同資深作者Jonathan S.Gootenberg博士說：“蛋白質建模近年來取得了進展，我們想知道，我們現在是否可以使用大型語言模型來從根本上預測更好的蛋白質序列。我們的研究結果，一致地顯示了這種工具的工作效果。我們選擇了兩種臨床相關抗體——要么已經在使用中，要么接近人類使用，發現使用EVOLVEpro，我們可以設計出一種結合更好、表達更好的抗體。通常，你可以在其中一個結果上做得很好，但在這里我們看到了兩者的改進。”

像這樣的研究表明，基因和細胞治療技術有望改變醫學。馬薩諸塞州布里格姆將軍基因和細胞治療研究所（GCTI）成立于2022年，旨在推動有針對性的、具有變革性的治療方法的發現和開發，這些治療方法有可能治愈疾病或阻止其進展。該研究所聯合了500多名研究人員和臨床醫生，致力于推進基因和細胞治療，以進行首次人體臨床試驗，并最終為患者提供挽救生命的治療方法。

由第一作者、馬薩諸塞州布里格姆將軍基因與細胞治療研究所的Kaiyi Jiang和Zhaoquing Yan，以及麻省理工學院的Matteo Di Bernardo領導的研究小組，使用EVOLVEpro設計了六種蛋白質。研究人員發現，EVOLVEpro設計的兩種單克隆抗體在粘附靶點方面要好30倍。

微型CRISPR核酸酶在基因改變方面的效率，是普通酶的五倍。一種用于n基因編輯的蛋白質，稱為主編輯器，在將序列插入基因組的不同部分方面是它的兩倍。一種名為Bxb1整合酶的蛋白質在將DNA插入細胞以進行可編程基因整合應用方面的效率，是其他蛋白質的四倍，而一種用于RNA生產的蛋白質，即T7 RNA聚合酶，在制造RNA的精確拷貝方面要好100倍，這對制造用于mRNA療法或疫苗的mRNA非常重要。

Jiang博士說：“我們預計這只是EVOLVEpro的開始，它將隨著時間的推移而不斷改進，并可用于各種蛋白質工程應用。這項技術標志著一個新時代的開始，在這個新時代，我們不僅可以設計蛋白質來匹配大自然的設計，還可以解決大自然從未面臨過的挑戰——從創造更精確的藥物到開發有助于應對氣候變化和糧食安全等全球挑戰的蛋白質。”