我國(guó)學(xué)者首次利用AI方法準(zhǔn)確模擬蛋白質(zhì)“光學(xué)指紋”
記者1月8日從安徽大學(xué)獲悉，該校人工智能學(xué)院葉盛教授、孫長(zhǎng)銀教授與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊教授等合作，在國(guó)際上首次成功利用人工智能、分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)理論計(jì)算方法，高效準(zhǔn)確地模擬了完整真實(shí)蛋白質(zhì)的Amide Ⅱ區(qū)域紅外光譜，為蛋白質(zhì)的氫鍵動(dòng)態(tài)學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)支持。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。
蛋白質(zhì)在生命中扮演著重要角色，其功能與其不斷演化的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。雖然近年來(lái)以AlphaFold系列為代表的人工智能模型，在解析蛋白質(zhì)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)方面取得了巨大進(jìn)展，但卻無(wú)法用于研究蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。Amide Ⅱ區(qū)域紅外光譜作為蛋白質(zhì)的“光學(xué)指紋”，能夠提供蛋白質(zhì)分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的詳細(xì)信息，在蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，解析這些譜學(xué)信號(hào)需要在復(fù)雜波動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行昂貴的量子力學(xué)計(jì)算。迄今為止，尚無(wú)一種方法能夠高效準(zhǔn)確地模擬完全真實(shí)蛋白質(zhì)的Amide Ⅱ光譜，這嚴(yán)重限制了其在蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用。
為解決這一問(wèn)題，研究人員創(chuàng)新性地將人工智能、分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)理論計(jì)算技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)結(jié)合物理信息的分子描述符從而建立了可解釋人工智能模型，可用于高效準(zhǔn)確模擬任意蛋白的Amide Ⅱ光譜，并且與傳統(tǒng)的量子化學(xué)計(jì)算方法相比，速度提高了至少五個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，所建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有優(yōu)秀的可遷移性，可以預(yù)測(cè)訓(xùn)練集范圍以外的蛋白質(zhì)光譜響應(yīng)，模擬不同狀態(tài)下的信號(hào)變化，從而分辨蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)、考察溶液pH條件的影響、實(shí)時(shí)跟蹤蛋白質(zhì)折疊等。
研究人員表示，這項(xiàng)研究將先進(jìn)的人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與量子化學(xué)理論方法相結(jié)合，體現(xiàn)了“AI for Science”的新興研究范式。
(安徽大學(xué)供圖)
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