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(lái)了革命性的進(jìn)展。

通過(guò)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(duì)這些復(fù)雜過(guò)程的理解。從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)到復(fù)合物的識(shí)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(guò)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(lái)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(cè)是一個(gè)具有廣泛應(yīng)用的挑戰(zhàn)性問(wèn)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?jī)?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�；�表示和化學(xué)特征來(lái)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(lái)捕捉它們的組合效應(yīng)，快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(lái)評(píng)估 NeCLAS 模型的性能。結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)兩者之間的成對(duì)相互作用，并且可以識(shí)別出重要的相互作用位點(diǎn)和區(qū)域。該模型的預(yù)測(cè)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�；瘑卧�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(cè)兩個(gè)分子之間的粗�；瘑卧�的成對(duì)相互作用。
 

NeCLAS的優(yōu)勢(shì)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(duì)稱性和化學(xué)鄰域的影響，提高預(yù)測(cè)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(kāi)銷，實(shí)現(xiàn)快速的預(yù)測(cè)和原子級(jí)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(jí)的信息轉(zhuǎn)化為低維度的粗粒化（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(lái)預(yù)測(cè)兩個(gè)分子的CG位點(diǎn)之間的成對(duì)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(cè)：NeCLAS可以預(yù)測(cè)納米粒子與蛋白質(zhì)的結(jié)合位置，這對(duì)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(guò)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(cè)納米粒子與蛋白質(zhì)的結(jié)合位置，還可以預(yù)測(cè)它們之間的動(dòng)態(tài)相互作用特性。這對(duì)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(guò)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(cè)納米粒子之間的相互作用和自組裝傾向。這對(duì)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(lái)說(shuō)，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(cè)結(jié)果具有人類可理解性，這對(duì)于解釋預(yù)測(cè)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