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Science公布2021年度十大科学突破,基于AI预测蛋白质结构的技术位列榜首

  • 分类:行业新闻
  • 作者:BPI-MW
  • 来源:医谷
  • 发布时间:2021-12-31

Science公布2021年度十大科学突破,基于AI预测蛋白质结构的技术位列榜首

  • 分类:行业新闻
  • 作者:BPI-MW
  • 来源:医谷
  • 发布时间:2021-12-31
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12月17日,Science公布了2021年度十大科学突破评选结果,生物及医药领域占据7项。基于人工智能预测蛋白质结构的技术位列榜首,其他分别为:抗新冠强效药出现、迷幻药物可治疗创伤后应激障碍(PTSD)、单克隆抗体治疗传染性疾病、基因编辑工具CRISPR首次获得临床胜利、体外胚胎培养为早期发育研究打开新窗户、首次在土壤中提取到古人类DNA,以及“洞察”号首次揭示火星内部结构、粒子物理学的标准模型出现了“裂缝”、核聚变实现历史性突破。

 

1、人工智能预测蛋白质结构

此前,复杂的蛋白质结构只能通过艰苦的实验分析来确定,但现在可以对成千上万的蛋白质和相互作用蛋白质的复合物进行快速计算。今年7月,Google姐妹公司DeepMind宣布已经利用AI智能软件程序——AlphaFold2预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构,以及其他20种生物几乎完整的蛋白质组。现在,科学家也在使用AlphaFold2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响。

随后,华盛顿大学医学院生物化学系教授、蛋白质设计研究所所长 David Baker 领导一支计算生物学家团队,成功开发一款名为 RoseTTAFold 的工具,基于深度学习,能够根据有限的信息快速准确地预测出目标蛋白质的结构,达到与 AlphaFold2 不相上下的准确度。

不仅如此,RoseTTAFold 所需的计算耗能与计算时间均比 AlphaFold2 还要低:仅用一台游戏计算机,在短短十分钟内就可以可靠地计算出蛋白质结构。更值得注意的是,RoseTTAFold 的代码和服务器完全免费提供给科学界!

自 7 月以来,相关程序已被 140 多个独立科研团队从 GitHub 免费下载,来自世界各地的科学家现在正在使用 RoseTTAFold 来构建蛋白质模型,以加速相关领域的研究。

同样在今年 7 月份,DeepMind 创始人兼首席执行官 Demis Hassabis 也在 Nature 杂志上分享了AlphaFold的开源代码,并发表了系统的完整方法论,详尽细致说明 AlphaFold 是如何做到精确预测蛋白质3D结构的。也就是说,这款强大蛋白质结构预测模型已经是完全免费的。

至此,两种强大的基于人工智能的蛋白质结构预测模型全部免费开放,科研工作者可以随时利用这两款模型获取蛋白质的空间结构,而无需对蛋白质进行结晶或使用昂贵的冷冻电镜进行研究。

在同步配发的评论文章里,Science 杂志的主编 Holden Thorp 对此表示,“首先,它解决了困扰生命科学近 50 年的蛋白质折叠问题,好比物理学中的引力波,科学家们数十年如一日,坚持不懈最终才攻克这一难题;其次,这一技术改变了未来结构生物学的规则,就像冷冻电镜那样,加速生命科学的发展;此外,完全免费意味着它是真正适合所有人的蛋白质预测模型。”

人工智能预测蛋白质结构将为结构生物学带来巨大变化,这样的进步将为基础生物学提供新的见解,并揭示潜在的新药物靶点。

 

2、抗新冠强效药出现

 

疫苗在抗击新冠疫情的斗争中发挥了重大作用,但今年,一个强有力的新选手——抗病毒口服药也加入了进来,包括默克的Molnupiravir和辉瑞的Paxlovid等。目前英国于11月批准了Molnupiravir,同时欧洲药品管理局12月16日发布公告,建议欧盟成员国在紧急情况下可使用尚未在欧盟获得授权的Paxlovid。根据提交给监管机构的最终数据,Molnupiravir可将未接种疫苗的高危人群的住院或死亡风险降低30%;在出现症状的3天内服用Paxlovid,可将住院率降低89%。

不过科学家表示,抗病毒药物不能取代疫苗接种,新药的不确定性仍然很多,但它们的出现至关重要,如果新的奥密克戎变体导致突破性感染激增,它们的重要性将更加突出。

 

3、迷幻药物可治疗创伤后应激障碍

 

迷幻药改变精神的能力,使人们一度对其治疗精神疾病抱有很大的希望,但一直缺少大型、严格的实验证明。

今年5月发表在Nature Medicine上的一项研究发现,3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ,也就是俗称的“摇头丸”的主要成分,能显著降低创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者接受了3 次 MDMA 或安慰剂治疗,并在每次治疗前后与治疗师进行一次谈话治疗。两个月后,67%的受试者不再符合PTSD的诊断标准,而这一比例在安慰剂组为32%。

 

4、单克隆抗体治疗传染性疾病

 

单克隆抗体在癌症和自身免疫性疾病的治疗中已经取得了显著的效果,在对抗传染病方面的成功有限,但今年单克隆抗体开始在对抗新冠病毒和其他威胁生命的病原体,包括呼吸道合胞病毒 (RSV)、HIV 和疟疾寄生虫等方面显现出效果。

随着克隆、动物模型和 X 射线晶体学的进步,研究人员可以制造和筛选比以往更多的单克隆抗体。SARS-CoV-2单克隆抗体在 2020 年的临床试验中显示出令人鼓舞的结果。截至今年年底,已有3种用于治疗新冠病毒的单克隆抗体获得FDA紧急使用授权,包括Bamlanivimab、REGEN-COV、Sotrovimab。

此外,目前科学家正在开发针对流感、寨卡病毒和巨细胞病毒的单克隆抗体,两个旨在预防所有婴儿呼吸道合体病毒(RSV)的候选药物被寄予厚望。同时,随着价格下跌、注射剂取代输液,以及更有效的单克隆抗体上市,未来单克隆抗体可能成为对抗传染病的标准武器。

 

5、基因编辑工具CRISPR首次获得临床胜利

 

基因编辑工具CRISPR于2020年首次显现出或可治愈镰状细胞病和β-地中海贫血患者的效果,但其治疗方式都是从患者体内取出有缺陷的造血干细胞,进行编辑后重新注入患者体内。今年,科学家们更进一步,直接在人体内使用CRISPR进行基因编辑。

今年6月,Intellia和再生元宣布,其开发的体内 CRISPR-Cas9 基因编辑疗法 NTLA-2001 治疗转甲状腺素淀粉样变性病的I期临床研究中期结果显示,在第 28 天,0.1 mg/kg 剂量组血清转甲状腺素蛋白水平较基线平均降低了 52%,0.3 mg/kg 剂量组降低了 87%。这是首个支持人体体内 CRISPR 基因编辑安全性和有效性的临床试验数据。

 

6、体外胚胎培养为早期发育研究打开新窗户

 

深入研究人类早期胚胎发育的过程可以帮助科学家了解流产和出生缺陷,并有利于完善体外受精方案。然而,法律、实践和伦理等诸多方面,限制了对人类胚胎的研究。

今年,科学家找到了潜在替代方案,不仅让小鼠胚胎在人造子宫“玻璃瓶”中发育的时间从3-4天突破到了11天,还实现将人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞重编程为类似胚泡的结构。尽管这种人造胚泡不是真正的胚胎,但可以为科学研究提供指导意义且争议较小的替代方案,为子宫外孕育人类提供思路。

 

7、首次在土壤中提取到古人类DNA

 

今年,科学家首次从洞穴土壤中提取到了古人类DNA。在西班牙的Estatuas洞穴中,提取到的核DNA揭示了8-11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别,并表明在10万年前结束的冰川期之后,尼安德特人的一个谱系取代了其他几个谱系;而在美国佐治亚州Satsurblia洞穴的两万五千年历史的土壤中,科学家们发现了来自以前未知的尼安德特人系的女性人类基因组,以及野牛和现已灭绝的狼的遗传痕迹。

这项从古代土壤中提取和测序核 DNA 的技术仍在改进中,帮助科学家回答更多关于古代物种兴衰的问题。

 

8、“洞察”号首次揭示火星内部结构

 

自2018年11月“扎根”火星以来,NASA的“洞察”号火星探测器在其着陆点测量了大约733次地震。科学家基于其中35次地震的数据,揭示了火星的内部结构,包括:夹心蛋糕一般的地壳结构、比预期更薄的地幔、含有更多轻元素的液态核心......在接下来的时间里,随着更多测量数据的出现,科学家将改进这颗红色星球的模型,进一步揭开火星的神秘面纱。

这是科学家第一次使用地震数据来探测地球以外行星的内部,这是了解火星形成和热演化的重要一步。

 

9、粒子物理学的标准模型出现了“裂缝”

今年4月7日,在美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验显示,缪子的行为与标准模型理论预测不相符。报告称,巨大的、不稳定的类电子粒子——缪子,比最初预测的更具磁性。虽然比预测只相差0.1%,但这意味自然界中的未知粒子给了缪子额外的推力——而这一发现意味着拥有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败,一个新的物理学世界大门或将打开。

 

10、核聚变实现历史性突破

 

核聚变为太阳和其他恒星提供能量,长期以来一直被视为解决地球能源问题的方法。但要达到所需的压力和温度(相当于太阳核心温度的10倍),非常困难。

今年8月,美国国家点火装置 (NIF) 产生了一种聚变反应,产生的能量比点燃它所需的激光能量更多。研究人员认为这是燃烧等离子体的结果,这意味着聚变反应产生了足够的热量,可以像火焰一样通过压缩燃料传播。伦敦帝国理工学院这一领域研究中心的联合主任Steven Rose教授表示:“这是惯性聚变自1972年开始以来最重大的进展。”这项研究正在使可持续核聚变反应装置成为现实。

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