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人工智能首次預(yù)測蛋白質(zhì)“光學(xué)指紋”

       從中國科大獲悉,該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊教授與其合作者合作,通過利用人工智能機器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),模擬了蛋白質(zhì)肽鍵結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系,大大降低了計算量,為預(yù)測蛋白質(zhì)的光學(xué)特性提供了一種高效的工具。相關(guān)成果日前發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》上。

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蛋白質(zhì)的光譜響應(yīng)信號,尤其是紫外光譜,可以稱之為蛋白質(zhì)骨架的“指紋”。這個“光學(xué)指紋”,經(jīng)過理論模擬的解讀,可以揭示出精確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷提供極其重要的信息。

  然而,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜多變,需要做大量的高精度的量子化學(xué)理論計算。由于計算量太大,即使是最厲害的超級計算機也“吃不消”。所以蛋白質(zhì)光譜的理論解讀是一個長期的困難與挑戰(zhàn),限制了光譜的準確分析和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。

  研究人員首先在300K溫度下通過分子動力學(xué)模擬以及量子化學(xué)計算,得到了五萬組不同構(gòu)型的肽鍵模型分子。通過機器學(xué)習(xí)算法篩選出鍵長、鍵角,二面角跟電荷信息作為描述符,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建肽鍵基態(tài)結(jié)構(gòu)與其激發(fā)態(tài)性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系。基于訓(xùn)練好的機器學(xué)習(xí)模型,預(yù)測出了肽鍵的基態(tài)偶極矩及激發(fā)態(tài)性質(zhì),最后預(yù)測出肽鍵的紫外吸收光譜。為了驗證機器學(xué)習(xí)模型的魯棒性,研究人員又基于300K的溫度下得到的機器學(xué)習(xí)模型,預(yù)測出肽鍵在200K以及400K溫度下的紫外吸收光譜,其結(jié)果與時間密度泛函理論計算結(jié)果達到很好的吻合。

  這是人工智能技術(shù)首次用于理論計算預(yù)測蛋白質(zhì)的光譜研究。通過理論計算得到大量數(shù)據(jù),使用人工智能加以訓(xùn)練后,確立了機器學(xué)習(xí)模擬蛋白質(zhì)肽鍵骨架紫外吸收光譜的可行性和優(yōu)勢,蛋白質(zhì)的“光學(xué)指紋”解讀也將會變得更加輕易和有效。


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