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DeepMind 新的生物人工智能系统 AlphaProteo：专门设计能够与特定靶标分子结合的蛋白质

发布时间：2024年09月07日

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DeepMind 发布了一个新的生物人工智能系统，专门设计能够与特定靶标分子结合的蛋白质。这些蛋白质可以与特定的目标分子（例如病毒蛋白或癌症相关蛋白）紧密结合。通过生成这些蛋白质结合体，AlphaProteo 能够加速药物开发、疾病研究和诊断等生物学和健康领域的进展。

AlphaProteo在实验中表现出比现有方法更高的成功率和结合强度，特别是对于新冠病毒和癌症相关的蛋白质。该系统设计的蛋白质结合体的结合强度平均比现有最佳方法强10倍。某些蛋白体甚至优于经过多轮实验优化设计的蛋白质。


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主要功能：

  1. 设计新型蛋白质： AlphaProteo能够生成与目标分子紧密结合的新型蛋白质，这些蛋白质可以作为生物学研究和健康研究中的核心工具。例如，它可以设计与特定疾病相关的蛋白质结合体，如VEGF-A，这对癌症和糖尿病的研究具有重要意义。通过生成高效结合体，AlphaProteo 在疾病研究、药物开发以及诊断领域展现出巨大潜力。它不仅能够提高药物开发效率，还能用于设计生物传感器和加速基础生物研究。
  2. 多靶点设计：AlphaProteo 能够设计针对多种目标蛋白质的结合体。它已经成功设计了与癌症、炎症、自身免疫疾病以及病毒（如 SARS-CoV-2）相关的目标蛋白质结合体。
  3. 多功能性应用： 生成的蛋白质结合体可应用于多个领域，包括药物开发、疾病诊断、细胞与组织成像、以及增强农作物抗性等。
  4. 提高实验成功率： AlphaProteo设计的蛋白质结合体在实验中表现出更高的成功率，减少了实验过程中反复测试和优化的需求，从而加速了实验进程。例如，对于某些病毒蛋白（如 BHRF1），实验室测试的成功率达到了 88%。
  5. 针对多种蛋白质目标： AlphaProteo已经成功设计了针对多种重要目标蛋白的结合体，例如：SARS-CoV-2（新冠病毒）相关蛋白、BHRF1病毒蛋白、以及多种与癌症和炎症相关的蛋白（如IL-7Rɑ、PD-L1、TrkA、IL-17A等）。

特点：

  1. 高结合强度： AlphaProteo生成的蛋白质与目标分子结合的强度比现有方法高出3到300倍，大大增强了蛋白质的功能有效性。例如，对目标蛋白BHRF1的结合成功率达88%。
  2. 结合多样化： 系统可处理多种不同的蛋白质目标，并通过AI算法设计出适合多种场景的蛋白质结合体，包括病毒蛋白和与癌症、炎症相关的蛋白。
  3. 实验验证与优化： AlphaProteo不仅在计算机模拟中取得了成功，实验室的测试也证实了其生成的蛋白质在生物学功能上的有效性，例如阻止SARS-CoV-2病毒感染细胞。
  4. 持续改进与扩展： 虽然目前在某些复杂蛋白（如TNFɑ）上仍面临挑战，DeepMind团队正在努力改进AlphaProteo，以便应对更复杂的设计问题，进一步提高算法的成功率和结合亲和力。

AlphaProteo的实验成果

  1. 成功设计多种蛋白质结合体： AlphaProteo成功设计了针对多种目标蛋白的结合体，涵盖了病毒蛋白和与癌症、炎症、自身免疫疾病相关的蛋白。例如：
    • SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合域（SC2RBD）：这是新冠病毒的重要目标蛋白，AlphaProteo成功设计出结合体，并且实验显示这些结合体可以有效阻止病毒感染细胞。
    • BHRF1病毒蛋白：这是与病毒感染相关的目标蛋白。实验表明，AlphaProteo生成的结合体有88%的成功率，大大优于现有方法。
  2. 相比现有方法，结合强度显著提高： AlphaProteo生成的蛋白质结合体，在七种目标蛋白上的结合强度比现有的设计方法强3到300倍。例如，针对TrkA（与癌症相关的蛋白），AlphaProteo设计的结合体比经过多轮优化的现有方法生成的结合体还要强。
  3. 实验成功率高： 在实验室测试中，AlphaProteo的结合体比传统方法表现出更高的实验成功率。这意味着，实验中需要测试的设计数量更少，实验效率显著提升。
    • BHRF1病毒蛋白：88%的结合体设计在实验中成功。
    • 其他目标蛋白：如IL-7Rɑ、PD-L1、TrkA、IL-17A等，在实验中表现出很高的成功率和结合强度。

  4. 与科学界的合作验证： AlphaProteo生成的结合体经过了外部科学家的独立验证。例如，Francis Crick研究所的Peter Cherepanov、Katie Bentley和David LV Bauer团队确认了AlphaProteo生成的SC2RBD和VEGF-A结合体具有预期的生物功能。具体来说，一些SC2RBD结合体能够阻止新冠病毒及其变体感染细胞。

  5. 应对挑战和局限性： 尽管AlphaProteo在多个实验中取得了成功，但它在面对更复杂的目标蛋白时（如TNFɑ，参与自身免疫疾病）仍存在局限性。这些蛋白质的结合设计难度较大，但团队正在持续改进AlphaProteo以应对这些挑战。

AlphaProteo的实验成果显著，成功设计了多种高结合强度的蛋白质结合体，并在多项实验中展示出比现有设计方法更高的成功率和结合力。这些成果为药物开发、病毒防治和癌症研究提供了新的工具和技术。

原文：https://deepmind.google/discover/blog/alphaproteo-generates-novel-proteins-for-biology-and-health-research/

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