施一公獨(dú)家專訪 | AlphaFold應(yīng)用于蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是人類在本世紀(jì)取得的最重要的科學(xué)突破之一

陽(yáng)光正能 2021-07-25

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“依我之見，這是人工智能對(duì)科學(xué)領(lǐng)域最大的一次貢獻(xiàn)，也是人類在 21 世紀(jì)取得的最重要的科學(xué)突破之一，” 談及 AlphaFold 的最新成果，生物物理學(xué)家、西湖大學(xué)校長(zhǎng)施一公告訴 DeepTech。

圖 | 施一公（資料圖）

7 月 23 日，DeepTech 獨(dú)家專訪了施一公，以下為對(duì)話實(shí)錄：

問：繼上周在 Nature 發(fā)表論文之后，7 月 22 日，DeepMind 團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表論文，描述了 AlphaFold 對(duì)人類蛋白質(zhì)組的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，其得到的數(shù)據(jù)集涵蓋了人類蛋白質(zhì)組近 60% 氨基酸的結(jié)構(gòu)位置預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)結(jié)果具有可信度。這會(huì)帶來哪些影響和好處？

施一公：人類蛋白質(zhì)組里能夠被預(yù)測(cè)的以單個(gè)蛋白為單位的空間三維結(jié)構(gòu)，已經(jīng)基本都被 AlphaFold 預(yù)測(cè)了。總體而言，預(yù)測(cè)結(jié)果可信、也比較準(zhǔn)確。這是人類在認(rèn)識(shí)自然界的科學(xué)探索征程中一個(gè)非常了不起的歷史性成就。

第一個(gè)影響，當(dāng)然是對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，這是該領(lǐng)域的一個(gè)顛覆性突破。此前人類尚未被解析的一些結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在基本上都已經(jīng)被 AlphaFold 預(yù)測(cè)，由于置信度比較高，因此可以說 AlphaFold 預(yù)測(cè)出來的結(jié)果很可能就是事實(shí)，從已有數(shù)據(jù)來看它的預(yù)測(cè)相當(dāng)?shù)木珳?zhǔn)。甚至可以說，人類蛋白質(zhì)組的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)突然陡增兩至三倍！

第二個(gè)影響，是對(duì)生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳發(fā)育、神經(jīng)生物學(xué)、微生物學(xué)、病理藥理等一大批生命學(xué)科和研究領(lǐng)域的影響，這會(huì)大大改進(jìn)我們對(duì)于生命過程的理解。比如，遺傳學(xué)家也許積累了大量數(shù)據(jù)，但如果不知道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，就沒法研究某個(gè)突變對(duì)于蛋白功能的影響?，F(xiàn)在不同了，通過 AlphaFold 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)就能查看人類遺傳病中的每一個(gè)突變?cè)谙嚓P(guān)蛋白結(jié)構(gòu)里的具體位置，找到突變位置后就有可能推測(cè)出蛋白功能如何受到影響。也就是說，AlphaFold 的出現(xiàn)，會(huì)從根本上幫助一大批基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的實(shí)驗(yàn)室、一大批科研型醫(yī)生、一大批科研人員更好地理解生命的分子過程，理解疾病發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理。

再比如，DeepMind 預(yù)測(cè)出來的蛋白結(jié)構(gòu)，包括了眾多 GPCR 和關(guān)鍵酶在內(nèi)的一大批結(jié)構(gòu)未知的藥物靶點(diǎn)蛋白，而且預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)足夠準(zhǔn)確。這對(duì)于制藥界來說實(shí)在太重要了，等于提供了可靠的藥物設(shè)計(jì)和藥物優(yōu)化的一個(gè)重要基礎(chǔ)。甚至可以夸張地講，所有藥物小分子結(jié)合的藥物靶點(diǎn)蛋白的結(jié)構(gòu)，幾乎被 AlphaFold 一網(wǎng)打盡。

我認(rèn)為 DeepMind 一定會(huì)乘勝追擊，一是把更大更復(fù)雜的一些結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)出來，二是把一些復(fù)合物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)出來，三是如何根據(jù)預(yù)測(cè)出來的靶點(diǎn)蛋白結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)藥物分子。

第三個(gè)影響可能會(huì)超越生命科學(xué)的界限。AlphaFold 的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)如果廣泛應(yīng)用在生命學(xué)科各分支、創(chuàng)新制藥，可能會(huì)給社會(huì)和老百姓帶來很大好處，甚至?xí)?duì)人類文明產(chǎn)生一些影響。

問：DeepMind 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官德米斯?哈薩比斯（Demis Hassabis）說：“我們使用 AlphaFold 生成了人類蛋白質(zhì)組最完整、最準(zhǔn)確的圖片。我們相信這是迄今為止人工智能對(duì)推進(jìn)科學(xué)知識(shí)所做的最重要貢獻(xiàn)，也是人工智能可以為社會(huì)帶來的各種好處的一個(gè)很好的例證?！?如何看待這一說法？

施一公：我認(rèn)同這個(gè)說法，我認(rèn)為這個(gè)判斷沒有言過其實(shí)，這的確是迄今為止人工智能對(duì)科學(xué)界做出的最重要的貢獻(xiàn)。這也是 21 世紀(jì)截止目前人類在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域上的最大突破之一，也應(yīng)該是人類有史以來在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域最重要的突破之一。過去半個(gè)多世紀(jì)，人類一共解析了五萬多個(gè)人源蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，人類蛋白質(zhì)組里大約 17% 的氨基酸已有結(jié)構(gòu)信息；而 AlphaFold 的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)將這一數(shù)字從 17% 大幅提高到 58%；因?yàn)闊o固定結(jié)構(gòu)的氨基酸比例很大，58% 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)已經(jīng)接近極限了。這是一個(gè)典型的量變引起巨大的質(zhì)變，而這一量變是在過去短短一年之內(nèi)發(fā)生的，這是不可思議的革命。它帶來的在生命科學(xué)各分支領(lǐng)域的革命，將在今后幾年到十幾年中逐漸顯現(xiàn)出來。在我看來，這項(xiàng)突破堪比人類基因組完成測(cè)序，甚至更重要！

問：在促進(jìn)新藥靶點(diǎn)和候選藥物的開發(fā)上，AlphaFold 會(huì)起到怎樣的作用？

施一公：對(duì)于這個(gè)問題，我前面已經(jīng)做了回答。如果生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)未知結(jié)構(gòu)的藥物靶點(diǎn)蛋白， AlphaFold 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)可以幫助生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)該蛋白可能的藥物分子結(jié)合位點(diǎn)，也就是說可以看到蛋白里面哪些部位會(huì)成為藥物分子進(jìn)攻的地方。

問：AlphaFold 希望未來能給所有具有已知序列的蛋白提供預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。您認(rèn)為是否有實(shí)現(xiàn)的可能性？以及假如實(shí)現(xiàn)了，又會(huì)帶來怎樣的效果？

施一公：完全有可能，我認(rèn)為它在人類蛋白質(zhì)組已經(jīng)基本做到了，現(xiàn)在 AlphaFold 已經(jīng)完成了人類蛋白質(zhì)組 98.5% 的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。而這里 “給所有具有已知序列的蛋白提供預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)”，應(yīng)該指的是其它物種，比如線蟲、果蠅、小鼠、植物等等的蛋白質(zhì)組提供精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。這會(huì)給方方面面帶來太多的意外驚喜和突破，也會(huì)大大促進(jìn)基礎(chǔ)生命科學(xué)研究，促進(jìn)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、甚至制造業(yè)的發(fā)展。

問：冷凍電鏡是很貴的設(shè)備，您和團(tuán)隊(duì)在冷凍電鏡方面頗有建樹，現(xiàn)在有了 AlphaFold 的成果，在西湖大學(xué)未來研究蛋白質(zhì)方面，有什么關(guān)于 AlphaFold 的使用計(jì)劃嗎？

施一公：AlphaFold 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)幾乎對(duì)每一位生物學(xué)家或多或少都有幫助，尤其是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家和生物物理學(xué)家。我想，每一位用心的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家都應(yīng)該知道怎么用好 AlphaFold 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

問：據(jù)了解，AlphaGo 算法至今仍有人在研究和學(xué)習(xí)。獲悉西湖大學(xué)也有工學(xué)院和深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，未來計(jì)劃讓相關(guān)專家做一些關(guān)于 AlphaFold 的算法研究嗎？

施一公：西湖大學(xué)的工學(xué)院和生命科學(xué)院其實(shí)已經(jīng)開始行動(dòng)，布局 AI 進(jìn)入生命科學(xué)各領(lǐng)域。我們也會(huì)研究如何進(jìn)一步改進(jìn)算法。

問：西湖大學(xué)整個(gè)學(xué)校、或者西湖大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的一些新動(dòng)向？

施一公：西湖大學(xué) 31 歲的博士生導(dǎo)師吳建平和團(tuán)隊(duì)成員在兩周前的 Nature 上發(fā)表了一篇很重要的論文，解析了精子中最重要的一個(gè)離子通道蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)新蛋白組分，這一突破是對(duì)生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的重要貢獻(xiàn)，很可能會(huì)被寫進(jìn)生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教科書。特別值得一提的是，吳建平在該研究突破中創(chuàng)造性地運(yùn)用了基因編輯技術(shù)。

問：在深度學(xué)習(xí)結(jié)合生物研究方面，谷歌一直走在世界前列，那么谷歌有哪些值得學(xué)習(xí)的地方？

施一公：應(yīng)該說，從 AlphaGo 到 AlphaZero 再到 AlphaFold，谷歌的科學(xué)技術(shù)突破不僅促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展，也推動(dòng)了人類的進(jìn)步。這家高科技企業(yè)擁有十足的創(chuàng)新動(dòng)力，擁有一批優(yōu)秀的科學(xué)家在人類知識(shí)前沿積極探索，令人感佩。我們中國(guó)的高科技企業(yè)正在全力追趕，期待在不久的將來也能給世界帶來驚喜！

-End-

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來自：陽(yáng)光正能 > 《科技》

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