《科学》发布2021年十大科学突破：AlphaFold预测蛋白结构居首撰文：朱哼哼编审：王哈哈排

撰文：朱哼哼
编审：王哈哈
排版：李雪薇
2021年11月17日， Science杂志公布了2021年的年度科学突破榜单， AlphaFold和RoseTTA-fold两种基于人工智能预测蛋白质结构的技术位列榜首。

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除此之外，年度科学突破还包括：开发针对COVID-19的抗病毒药、μ子的新测量、火星地震观测、从土壤恢复古代人类DNA、CRISPR体内应用、对早期人类发展的新见解、使用迷幻类药物治疗PTSD、开发用于治疗传染病的单克隆抗体以及聚变能生成的进步。

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此外， Science杂志还评选了三个年度科学故障（breakdowns），包括实现气候目标的希望渺茫、阿尔茨海默病药物引发愤怒，以及科学家们因新冠疫情受到排斥和攻击。
本文主要介绍本年度最重要的科学突破——基于人工智能的蛋白质结构预测。
结构生物学持续50多年的困惑
我们都知道，蛋白质是生命活动的主要承担者，甚至毫不夸张的说，没有蛋白质就没有生命。因此，长期以来蛋白质都是生命科学工作者研究的重点。而其中，蛋白质的结构更是众多生命科学工作者研究的热点，毕竟其主要功能是由结构决定的。
1957年， JohnC.Kendrew和MaxF.Perutz通过X射线晶体学确定了第一个蛋白质结构。不久之后， ChristianB.AnfinsenJr.提出蛋白质的结构在热力学上是稳定的，似乎可以根据蛋白质的氨基酸序列来预测蛋白质的三维结构。
然而，蛋白质的结构复杂性远超人们的想象。依据中心法则，蛋白质主要是由DNA转录成RNA ，再翻译成肽链后组装而来，一个蛋白质分子是由一条或几条多肽链组成，多肽链则折叠成特有的形状。同时，蛋白质分子的专一形状是由4个层次的结构决定的，包括一级、二级、三级和四级结构，前一级结构决定后一级结构。
其中多肽链的氨基酸序列是一级结构，一级结构中的部分肽链卷曲或折叠产生二级结构。二级结构经过一系列的构象改变形成三维结构即三级结构，一般为球状或纤维状。三级结构有特定的结构域，形成结合位点或调节位点，可以结合特定结构的物质，行使特定的功能。两条或两条以上的多肽链组成的蛋白质，可以形成四级结构。

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图|蛋白质3D结构（来源：NatCommun）
因此，从ChristianB.AnfinsenJr.理论提出至今50多年的时间里，科学家始终无法解决蛋白质折叠的问题，对于蛋白质结构的了解依旧十分有限。
而近年来，随着冷冻电子显微镜技术的发展，可以在没有结晶样本的条件下观察蛋白质结构，使得蛋白质结构研究有所进展。不过，冷冻电镜是非常昂贵的设备，只有极少数的实验室才有条件配备，对于广大科研工作者非常不友好。因此，生命科学界亟需新的方法解决蛋白质折叠问题。
AI助力解决蛋白质结构预测难题
随着计算机科学的发展，此前曾有学者提出利用计算机模型解决蛋白质折叠问题。虽然这一想法是可行的，但是在随后数十年的时间里，人们开发的各种计算机模型预测蛋白结构的准确性始终有限。
在过去25年中，国际蛋白质结构预测大赛（CASP）一直关注这个领域的进展，试图寻找能够完美解决蛋白质折叠问题的计算机模型。直到第14届大赛CASP14大赛成功举办， DeepMind旗下的AlphaFold系统在蛋白质结构预测方面表现出了无与伦比的准确性。