2024 年諾貝爾化學獎因破解蛋白質密碼而榮獲

喬許費許曼

週三，三位科學家榮獲 2024 年諾貝爾化學獎，以表彰他們發現蛋白質（生命的基石和細胞功能的發電機）如何發揮作用。蛋白質可以建立肌肉和大腦，幫助心臟按時跳動並過濾毒物，以及許多其他重要任務。

諾貝爾獎的一半授予了倫敦谷歌 DeepMind 的研究人員 Demis Hassabis 和 John Jumper，他們開發了 AlphaFold2——一種人工智能程序，可以根據蛋白質分子的化學構件（稱為氨基酸）預測其形狀和結構。由於蛋白質的形狀決定其功能，因此這些預測非常重要。

另一半獎金則頒給了華盛頓大學的結構生物學家大衛貝克（David Baker），以表彰他找到了設計全新蛋白質（自然界中從未見過的分子）的方法。其中一些人造蛋白質可以充當微小的感測器，而另一些則可以阻止導致新冠病毒的冠狀病毒。貝克將獲得獎金的 50%，即 1,100 萬瑞典克朗，約 100 萬美元。哈薩比斯和朱珀將獲得另外 50%。

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諾貝爾化學委員會成員 Johan Åqvist 在宣布這一消息後的新聞發布會上表示，由於蛋白質是生物學中的基本主力，因此設計人造蛋白質的能力「絕對令人興奮」。貝克被來自瑞典的電話吵醒，他說自己「非常興奮，非常榮幸」獲得該獎項，並且「站在巨人的肩膀上」。這些研究人員包括美國科學家克里斯蒂安·安芬森 (Christian Anfinsen)，他因發現蛋白質的形狀幾乎完全由其氨基酸序列決定而獲得 1972 年諾貝爾化學獎。 （貝克還說，當他告訴妻子電話那頭是諾貝爾獎委員會時，她興奮地大聲喊叫，以至於他錯過了一些關於誰贏得了什麼的細節。）

人工智慧的形式在兩天內獲得了兩項諾貝爾獎。週二，在 20 世紀 80 年代和 90 年代致力於開發人工神經網路的科學家獲得了物理學獎，人工神經網路是一種機器學習，為最近的人工智慧鋪平了道路。 「人工智慧產生了變革性的影響，」維吉尼亞理工大學的合成有機化學家阿曼達·莫里斯說。 “這只會加快發現速度。”她指出，X 射線晶體學等傳統方法僅預測了相對較少的蛋白質結構，而且很少預測它們的作用以及如何做到這一點。相較之下，AlphaFold2 程式在 2020 年結構預測競賽中的準確度為 100 分，得分約為 90 分。到 2022 年，該程式能夠預測約 2 億種蛋白質的 3D 結構。

哈薩比斯告訴 科學美國人 在 2022 年的一次訪談中，人工智慧似乎理解胺基酸成分相互吸引和排斥的各種力量。這些力將蛋白質移動並扭曲成人工智慧可以預測的特定結構。例如，這些預測使研究人員能夠利用這些蛋白質來開發新藥物。

莫里斯說她對貝克工作中設計的蛋白質類型感興趣。她正在利用一些參與光合作用的蛋白質來開發再生能源。作為光合作用過程的一部分，此類蛋白質從水中剝離電子，從而釋放電子以用於其他能源用途。 「問題是：這些蛋白質很容易分解，」她說。但“如果我們能夠用更穩定的材料建造人造能源，我們也許能夠將其轉化為比自然更好的可再生能源過程。”

貝克說，他最感興趣的人造蛋白質是能夠阻止引起新冠病毒（SARS-CoV-2）感染人類細胞的分子。他告訴我們，他和他的團隊能夠將這些蛋白質設計得非常小，以便可以透過鼻噴劑而不是傳統的手臂注射來輸送。 科學美國人 在 2021 年的一篇文章中。在他和其他科學家推導出一些基本規則之前，製造這些他和他的團隊所說的「迷你黏合劑」是不可能的，這些規則將某些氨基酸聚集在一起並將其他氨基酸分開，決定蛋白質的形狀，從而決定如何它與其他分子相互作用，例如病毒的成分。

2020 年，當貝克站在一場科學會議的舞台旁，等待在我主持的有關蛋白質設計的小組上發言時，他告訴我，他更喜歡在實驗室研究新分子，而不是發表公開演講。然而，諾貝爾獎的認可具有許多優勢，但對獲獎者時間的要求也隨之而來。貝克在接下來的幾個月在實驗室的時間可能會受到限制，至少要等到 12 月在斯德哥爾摩舉行的頒獎典禮之後。