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Science公布2021年度十大科學(xué)突破,基于AI預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)位列榜首

  • 分類:行業(yè)新聞
  • 作者:BPI-MW
  • 來源:醫(yī)谷
  • 發(fā)布時(shí)間:2021-12-31

Science公布2021年度十大科學(xué)突破,基于AI預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)位列榜首

  • 分類:行業(yè)新聞
  • 作者:BPI-MW
  • 來源:醫(yī)谷
  • 發(fā)布時(shí)間:2021-12-31
詳情

 

12月17日,Science公布了2021年度十大科學(xué)突破評(píng)選結(jié)果,生物及醫(yī)藥領(lǐng)域占據(jù)7項(xiàng)?;谌斯ぶ悄茴A(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)位列榜首,其他分別為:抗新冠強(qiáng)效藥出現(xiàn)、迷幻藥物可治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)、單克隆抗體治療傳染性疾病、基因編輯工具CRISPR首次獲得臨床勝利、體外胚胎培養(yǎng)為早期發(fā)育研究打開新窗戶、首次在土壤中提取到古人類DNA,以及“洞察”號(hào)首次揭示火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型出現(xiàn)了“裂縫”、核聚變實(shí)現(xiàn)歷史性突破。

 

1、人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

此前,復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)只能通過艱苦的實(shí)驗(yàn)分析來確定,但現(xiàn)在可以對(duì)成千上萬的蛋白質(zhì)和相互作用蛋白質(zhì)的復(fù)合物進(jìn)行快速計(jì)算。今年7月,Google姐妹公司DeepMind宣布已經(jīng)利用AI智能軟件程序——AlphaFold2預(yù)測(cè)了人類表達(dá)的幾乎所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),以及其他20種生物幾乎完整的蛋白質(zhì)組。現(xiàn)在,科學(xué)家也在使用AlphaFold2來模擬奧密克戎變體刺突蛋白突變的影響。

隨后,華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系教授、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng) David Baker 領(lǐng)導(dǎo)一支計(jì)算生物學(xué)家團(tuán)隊(duì),成功開發(fā)一款名為 RoseTTAFold 的工具,基于深度學(xué)習(xí),能夠根據(jù)有限的信息快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),達(dá)到與 AlphaFold2 不相上下的準(zhǔn)確度。

不僅如此,RoseTTAFold 所需的計(jì)算耗能與計(jì)算時(shí)間均比 AlphaFold2 還要低:僅用一臺(tái)游戲計(jì)算機(jī),在短短十分鐘內(nèi)就可以可靠地計(jì)算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。更值得注意的是,RoseTTAFold 的代碼和服務(wù)器完全免費(fèi)提供給科學(xué)界!

自 7 月以來,相關(guān)程序已被 140 多個(gè)獨(dú)立科研團(tuán)隊(duì)從 GitHub 免費(fèi)下載,來自世界各地的科學(xué)家現(xiàn)在正在使用 RoseTTAFold 來構(gòu)建蛋白質(zhì)模型,以加速相關(guān)領(lǐng)域的研究。

同樣在今年 7 月份,DeepMind 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Demis Hassabis 也在 Nature 雜志上分享了AlphaFold的開源代碼,并發(fā)表了系統(tǒng)的完整方法論,詳盡細(xì)致說明 AlphaFold 是如何做到精確預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)的。也就是說,這款強(qiáng)大蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型已經(jīng)是完全免費(fèi)的。

至此,兩種強(qiáng)大的基于人工智能的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型全部免費(fèi)開放,科研工作者可以隨時(shí)利用這兩款模型獲取蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),而無需對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)晶或使用昂貴的冷凍電鏡進(jìn)行研究。

在同步配發(fā)的評(píng)論文章里,Science 雜志的主編 Holden Thorp 對(duì)此表示,“首先,它解決了困擾生命科學(xué)近 50 年的蛋白質(zhì)折疊問題,好比物理學(xué)中的引力波,科學(xué)家們數(shù)十年如一日,堅(jiān)持不懈最終才攻克這一難題;其次,這一技術(shù)改變了未來結(jié)構(gòu)生物學(xué)的規(guī)則,就像冷凍電鏡那樣,加速生命科學(xué)的發(fā)展;此外,完全免費(fèi)意味著它是真正適合所有人的蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)模型。”

人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)將為結(jié)構(gòu)生物學(xué)帶來巨大變化,這樣的進(jìn)步將為基礎(chǔ)生物學(xué)提供新的見解,并揭示潛在的新藥物靶點(diǎn)。

 

2、抗新冠強(qiáng)效藥出現(xiàn)

 

疫苗在抗擊新冠疫情的斗爭(zhēng)中發(fā)揮了重大作用,但今年,一個(gè)強(qiáng)有力的新選手——抗病毒口服藥也加入了進(jìn)來,包括默克的Molnupiravir和輝瑞的Paxlovid等。目前英國(guó)于11月批準(zhǔn)了Molnupiravir,同時(shí)歐洲藥品管理局12月16日發(fā)布公告,建議歐盟成員國(guó)在緊急情況下可使用尚未在歐盟獲得授權(quán)的Paxlovid。根據(jù)提交給監(jiān)管機(jī)構(gòu)的最終數(shù)據(jù),Molnupiravir可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風(fēng)險(xiǎn)降低30%;在出現(xiàn)癥狀的3天內(nèi)服用Paxlovid,可將住院率降低89%。

不過科學(xué)家表示,抗病毒藥物不能取代疫苗接種,新藥的不確定性仍然很多,但它們的出現(xiàn)至關(guān)重要,如果新的奧密克戎變體導(dǎo)致突破性感染激增,它們的重要性將更加突出。

 

3、迷幻藥物可治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙

 

迷幻藥改變精神的能力,使人們一度對(duì)其治療精神疾病抱有很大的希望,但一直缺少大型、嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)證明。

今年5月發(fā)表在Nature Medicine上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ,也就是俗稱的“搖頭丸”的主要成分,能顯著降低創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)患者的癥狀。76名受試者接受了3 次 MDMA 或安慰劑治療,并在每次治療前后與治療師進(jìn)行一次談話治療。兩個(gè)月后,67%的受試者不再符合PTSD的診斷標(biāo)準(zhǔn),而這一比例在安慰劑組為32%。

 

4、單克隆抗體治療傳染性疾病

 

單克隆抗體在癌癥和自身免疫性疾病的治療中已經(jīng)取得了顯著的效果,在對(duì)抗傳染病方面的成功有限,但今年單克隆抗體開始在對(duì)抗新冠病毒和其他威脅生命的病原體,包括呼吸道合胞病毒 (RSV)、HIV 和瘧疾寄生蟲等方面顯現(xiàn)出效果。

隨著克隆、動(dòng)物模型和 X 射線晶體學(xué)的進(jìn)步,研究人員可以制造和篩選比以往更多的單克隆抗體。SARS-CoV-2單克隆抗體在 2020 年的臨床試驗(yàn)中顯示出令人鼓舞的結(jié)果。截至今年年底,已有3種用于治療新冠病毒的單克隆抗體獲得FDA緊急使用授權(quán),包括Bamlanivimab、REGEN-COV、Sotrovimab。

此外,目前科學(xué)家正在開發(fā)針對(duì)流感、寨卡病毒和巨細(xì)胞病毒的單克隆抗體,兩個(gè)旨在預(yù)防所有嬰兒呼吸道合體病毒(RSV)的候選藥物被寄予厚望。同時(shí),隨著價(jià)格下跌、注射劑取代輸液,以及更有效的單克隆抗體上市,未來單克隆抗體可能成為對(duì)抗傳染病的標(biāo)準(zhǔn)武器。

 

5、基因編輯工具CRISPR首次獲得臨床勝利

 

基因編輯工具CRISPR于2020年首次顯現(xiàn)出或可治愈鐮狀細(xì)胞病和β-地中海貧血患者的效果,但其治療方式都是從患者體內(nèi)取出有缺陷的造血干細(xì)胞,進(jìn)行編輯后重新注入患者體內(nèi)。今年,科學(xué)家們更進(jìn)一步,直接在人體內(nèi)使用CRISPR進(jìn)行基因編輯。

今年6月,Intellia和再生元宣布,其開發(fā)的體內(nèi) CRISPR-Cas9 基因編輯療法 NTLA-2001 治療轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性病的I期臨床研究中期結(jié)果顯示,在第 28 天,0.1 mg/kg 劑量組血清轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白水平較基線平均降低了 52%,0.3 mg/kg 劑量組降低了 87%。這是首個(gè)支持人體體內(nèi) CRISPR 基因編輯安全性和有效性的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

 

6、體外胚胎培養(yǎng)為早期發(fā)育研究打開新窗戶

 

深入研究人類早期胚胎發(fā)育的過程可以幫助科學(xué)家了解流產(chǎn)和出生缺陷,并有利于完善體外受精方案。然而,法律、實(shí)踐和倫理等諸多方面,限制了對(duì)人類胚胎的研究。

今年,科學(xué)家找到了潛在替代方案,不僅讓小鼠胚胎在人造子宮“玻璃瓶”中發(fā)育的時(shí)間從3-4天突破到了11天,還實(shí)現(xiàn)將人類胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞重編程為類似胚泡的結(jié)構(gòu)。盡管這種人造胚泡不是真正的胚胎,但可以為科學(xué)研究提供指導(dǎo)意義且爭(zhēng)議較小的替代方案,為子宮外孕育人類提供思路。

 

7、首次在土壤中提取到古人類DNA

 

今年,科學(xué)家首次從洞穴土壤中提取到了古人類DNA。在西班牙的Estatuas洞穴中,提取到的核DNA揭示了8-11.3萬年前生活在那里的人類的遺傳特征和性別,并表明在10萬年前結(jié)束的冰川期之后,尼安德特人的一個(gè)譜系取代了其他幾個(gè)譜系;而在美國(guó)佐治亞州Satsurblia洞穴的兩萬五千年歷史的土壤中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了來自以前未知的尼安德特人系的女性人類基因組,以及野牛和現(xiàn)已滅絕的狼的遺傳痕跡。

這項(xiàng)從古代土壤中提取和測(cè)序核 DNA 的技術(shù)仍在改進(jìn)中,幫助科學(xué)家回答更多關(guān)于古代物種興衰的問題。

 

8、“洞察”號(hào)首次揭示火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

自2018年11月“扎根”火星以來,NASA的“洞察”號(hào)火星探測(cè)器在其著陸點(diǎn)測(cè)量了大約733次地震。科學(xué)家基于其中35次地震的數(shù)據(jù),揭示了火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括:夾心蛋糕一般的地殼結(jié)構(gòu)、比預(yù)期更薄的地幔、含有更多輕元素的液態(tài)核心......在接下來的時(shí)間里,隨著更多測(cè)量數(shù)據(jù)的出現(xiàn),科學(xué)家將改進(jìn)這顆紅色星球的模型,進(jìn)一步揭開火星的神秘面紗。

這是科學(xué)家第一次使用地震數(shù)據(jù)來探測(cè)地球以外行星的內(nèi)部,這是了解火星形成和熱演化的重要一步。

 

9、粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型出現(xiàn)了“裂縫”

今年4月7日,在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)顯示,繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)不相符。報(bào)告稱,巨大的、不穩(wěn)定的類電子粒子——繆子,比最初預(yù)測(cè)的更具磁性。雖然比預(yù)測(cè)只相差0.1%,但這意味自然界中的未知粒子給了繆子額外的推力——而這一發(fā)現(xiàn)意味著擁有50年歷史的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言失敗,一個(gè)新的物理學(xué)世界大門或?qū)⒋蜷_。

 

10、核聚變實(shí)現(xiàn)歷史性突破

 

核聚變?yōu)樘柡推渌阈翘峁┠芰?,長(zhǎng)期以來一直被視為解決地球能源問題的方法。但要達(dá)到所需的壓力和溫度(相當(dāng)于太陽核心溫度的10倍),非常困難。

今年8月,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置 (NIF) 產(chǎn)生了一種聚變反應(yīng),產(chǎn)生的能量比點(diǎn)燃它所需的激光能量更多。研究人員認(rèn)為這是燃燒等離子體的結(jié)果,這意味著聚變反應(yīng)產(chǎn)生了足夠的熱量,可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院這一領(lǐng)域研究中心的聯(lián)合主任Steven Rose教授表示:“這是慣性聚變自1972年開始以來最重大的進(jìn)展。”這項(xiàng)研究正在使可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置成為現(xiàn)實(shí)。

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