AI4Science在蛋白組學(xué)的應(yīng)用

在科學(xué)的殿堂中，人工智能（AI）以其強(qiáng)大的計(jì)算能力和智能算法，正日益成為探索未知、解碼生命密碼的不可或缺的力量。其中，蛋白組學(xué)的領(lǐng)域更是在這股浪潮中迎來了革命性的進(jìn)展。

通過將AI技術(shù)與蛋白質(zhì)研究相結(jié)合，我們不僅能夠深入理解細(xì)胞功能的復(fù)雜機(jī)制，更能夠加速新藥研發(fā)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)現(xiàn)。蛋白質(zhì)相互作用在細(xì)胞的各種重要生理活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用，而AI技術(shù)的應(yīng)用將加速我們對這些復(fù)雜過程的理解。從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測到復(fù)合物的識別，AI正引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新時(shí)代。
 

本次我們將通過解讀 “From proteins to nanoparticles: domain-agnostic predictions of nanoscale interactions”，探尋AI在Science和蛋白組學(xué)研究中的關(guān)鍵角色，揭示人工智能為我們解鎖生命謎題所帶來的不可估量的意義。
 

納米尺度相互作用在許多技術(shù)、生物和自然現(xiàn)象中起著關(guān)鍵作用，例如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用和納米顆粒-納米顆粒相互作用。這些相互作用的準(zhǔn)確和快速預(yù)測是一個(gè)具有廣泛應(yīng)用的挑戰(zhàn)性問題，但目前的方法通常依賴于特定領(lǐng)域的信息，如蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)特征，而不能泛化到其他類型的結(jié)構(gòu)，如納米顆粒。

02 研究內(nèi)容

Jacob Saldinger, Matt Raymond, Paolo Elvati和 Angela Violi提出了一種通用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法 - NeCLAS，該模型使用粗粒化表示和化學(xué)特征來描述納米顆粒和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并使用置換不變的網(wǎng)絡(luò)來捕捉它們的組合效應(yīng)，快速準(zhǔn)確地預(yù)測不同領(lǐng)域的納米尺度相互作用，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-納米顆粒和納米顆粒-納米顆粒之間的相互作用。
 

NeCLAS模型性能

作者使用蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-納米顆粒的數(shù)據(jù)集來評估 NeCLAS 模型的性能。結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測兩者之間的成對相互作用，并且可以識別出重要的相互作用位點(diǎn)和區(qū)域。該模型的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果一致，證明了其可靠性和有效性。
 

NeCLAS特點(diǎn)

一是使用一種通用的、基于原子的粗�；�方法，將納米顆粒和大分子轉(zhuǎn)化為低維度的粗粒化結(jié)構(gòu)，并計(jì)算每個(gè)粗粒化單元的局部和環(huán)境特征；二是使用一種排列不變的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測兩個(gè)分子之間的粗�；瘑卧�的成對相互作用。
 

NeCLAS的優(yōu)勢在于，它能夠處理多種類型的分子，而不依賴于特定的分子特征，如氨基酸序列或保守性；并且NeCLAS能夠捕捉分子的結(jié)構(gòu)對稱性和化學(xué)鄰域的影響，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和可解釋性；NeCLAS能夠降低數(shù)據(jù)的噪聲和不確定性，提高模型的穩(wěn)定性和泛化能力，能夠減少計(jì)算的開銷，實(shí)現(xiàn)快速的預(yù)測和原子級的重構(gòu)。
 

該文章的研究方法包括兩個(gè)主要步驟

第一步是將原子級的信息轉(zhuǎn)化為低維度的粗�；�（CG）結(jié)構(gòu)，并計(jì)算每個(gè)CG位點(diǎn)的局部和環(huán)境特征；第二步是訓(xùn)練一個(gè)排列不變的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來預(yù)測兩個(gè)分子的CG位點(diǎn)之間的成對相互作用。
 

NeCLAS在三個(gè)不同的挑戰(zhàn)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)-納米顆粒的結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測：NeCLAS可以預(yù)測納米粒子與蛋白質(zhì)的結(jié)合位置，這對于理解納米粒子如何與生物分子相互作用以及如何影響生物過程具有重要意義。
 

納米顆粒-蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)相互作用特征：NeCLAS不僅可以預(yù)測納米粒子與蛋白質(zhì)的結(jié)合位置，還可以預(yù)測它們之間的動(dòng)態(tài)相互作用特性。這對于理解納米粒子如何影響蛋白質(zhì)的功能和活性，以及如何影響生物過程具有重要意義。
 

納米顆粒-納米顆粒的相互作用和自組裝傾向：NeCLAS還可以預(yù)測納米粒子之間的相互作用和自組裝傾向。這對于理解納米粒子如何自我組裝以形成更大的結(jié)構(gòu)，以及如何影響材料的性能和功能具有重要意義。

03 總結(jié)

總的來說，NeCLAS的應(yīng)用范圍涵蓋了從基礎(chǔ)研究到納米生物技術(shù)中的快速原型制作和設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。這使得科學(xué)家可以更好地理解納米粒子的潛在應(yīng)用，并優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。此外，NeCLAS的預(yù)測結(jié)果具有人類可理解性，這對于解釋預(yù)測結(jié)果和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。這種方法的應(yīng)用不僅限于蛋白質(zhì)，還可以擴(kuò)展到其他類型的納米粒子，如納米顆粒-納米顆粒的相互作用。因此，NeCLAS為納米科學(xué)和納米技術(shù)的研究提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。

參考文獻(xiàn)：https://www.nature.com/articles/s43588-023-00438-x