科技日報北京10月10日電 （記者張夢然）美國哈佛大學與西北大學研究團隊合作，開發(fā)出一種新型機器學習方法，能夠從無序蛋白質中排序，設計出具有特定性質的內在無序蛋白質（IDPs），從而突破了當前人工智能（AI）工具在解析約30%人類蛋白質結構上的局限。該成果發(fā)表于最新一期《自然·計算科學》。
這類蛋白質因其不折疊成固定三維結構而長期難以被建模，像“阿爾法折疊”等先進AI系統(tǒng)雖在結構預測方面表現(xiàn)卓越，卻無法有效處理這類高度動態(tài)的分子。然而，IDPs在細胞信號傳導、分子傳感和交聯(lián)等關鍵生物過程中發(fā)揮著核心作用，其功能異常也與癌癥、神經(jīng)退行性疾病等多種疾病密切相關，例如α-突觸核蛋白就與帕金森病緊密關聯(lián)。
為應對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種結合物理模型與機器學習技術的新路徑。該方法基于“自動微分”技術——一種常用于深度學習中計算導數(shù)的算法，用于追蹤輸入變量微小變化對輸出的影響。他們利用這一機制，在分子動力學模擬框架下直接優(yōu)化氨基酸序列，使其具備預定的物理或功能特性。與依賴大量數(shù)據(jù)訓練的典型人工智能模型不同，該方法依托已有且足夠精確的物理模擬體系，通過梯度優(yōu)化高效搜索滿足特定功能需求的蛋白質序列，如形成柔性連接結構或響應環(huán)境變化的能力。
團隊強調，目標并非用數(shù)據(jù)驅動模型替代物理理解，而是將真實的分子行為規(guī)律嵌入設計過程，使生成的蛋白質序列不僅具備功能性，而且其設計過程本身就根植于自然界真實的動力學原理。由此設計出的蛋白質是“可微分的”，意味著每一步優(yōu)化都建立在對系統(tǒng)物理狀態(tài)連續(xù)、精確調控的基礎上，而非依賴黑箱式的預測。