長期以來科學(xué)家和工程師們一直對合成肽很感興趣。肽是一種氨基酸鏈，負責(zé)在細胞內(nèi)執(zhí)行許多功能，它既能模擬自然，又能進行新的活動。

例如，設(shè)計的肽可以是一種功能藥物，作用于人體的某些區(qū)域而不會降解，這對許多肽來說是一項艱巨的任務(wù)。但是發(fā)現(xiàn)和合成多肽的方法既昂貴又費時，常常需要數(shù)月或數(shù)年的猜測和失敗。美國西北大學(xué)(Northwestern University)的研究人員與康奈爾大學(xué)(Cornell University)和加州大學(xué)圣地亞哥分校(University of California, San Diego)的合作者合作，開發(fā)出一種尋找最優(yōu)肽序列的新方法:使用機器學(xué)習(xí)算法作為合作者。

博科園-科學(xué)科普：該算法分析實驗數(shù)據(jù)，并對下一個最佳序列提出建議，創(chuàng)建一個來回選擇過程，大大減少了尋找最佳肽段所需的時間。該研究結(jié)果于12月7日發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上，有望為材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的實驗提供一個新的框架。西北大學(xué)教授內(nèi)森·吉安內(nèi)斯基(Nathan Gianneschi)是這篇論文的通訊作者表示：我們認(rèn)為這是我們?nèi)绾卧O(shè)計分子和材料的下一波潮流，可以結(jié)合直覺和算法的力量，用更少的實驗找到解決方案。Gianneschi是西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)系的Jacob和Rosaline Cohn教授，也是西北工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系和生物醫(yī)學(xué)工程系的教授。

為了創(chuàng)造這種方法，同時也是西北大學(xué)國際納米技術(shù)研究所副所長的Gianneschi與康奈爾大學(xué)從事操作研究和機器學(xué)習(xí)的副教授Peter Frazier以及加州大學(xué)圣地亞哥分校的化學(xué)生物學(xué)家和酶學(xué)專家Michael Burkart合作，找到了一種更好的方法來制造能夠產(chǎn)生生物材料的肽——特別是能夠以某種方式修飾蛋白質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。第一步是找到合適的多肽作為這些結(jié)構(gòu)的酶底物。肽是由氨基酸鏈構(gòu)成的，最長可達20個氨基酸，每種氨基酸有20種不同的可能。由于肽的序列決定了肽的功能，要想找到最優(yōu)的序列，往往需要進行昂貴的實驗，而這些實驗往往是靠猜測來完成。

實驗人員吉安內(nèi)斯基(Gianneschi)和伯克特(Burkart)與弗雷澤合作了幾年，開發(fā)了一個將實驗數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來的系統(tǒng)，以找到創(chuàng)造新材料的最佳策略。Frazier設(shè)計了這個算法，然后兩人一起訓(xùn)練它，實驗人員開發(fā)了一個包含100個多肽的數(shù)組，進行實驗來找出哪些多肽能夠正常工作，然后將這些信息輸入到算法中。然后該算法推薦了下一輪肽開發(fā)需要修改的內(nèi)容，還推薦了它認(rèn)為可能失敗的策略。吉安內(nèi)斯基說：現(xiàn)在我們開始有選擇性了，通過多次完成這一過程，他們能夠找到最優(yōu)的肽。沒有去猜測和觀察數(shù)以百萬計的肽，而是觀察了數(shù)以百計的肽，然后非常迅速地匯聚到以全新方式表現(xiàn)的序列上。與隨機突變或猜測相比，該算法在統(tǒng)計上要成功得多。

雖然這項工作集中在底物上，但是這個過程可以被用于發(fā)現(xiàn)任何目的的多肽，比如藥物傳遞，甚至可能被用于發(fā)現(xiàn)DNA序列。因為任何一種最優(yōu)序列都可以被發(fā)現(xiàn)，研究人員也不局限于在遺傳密碼中發(fā)現(xiàn)的氨基酸序列。下一步將使整個過程自動化，Gianneschi還對使用這種方法尋找聚合物的最佳表面感興趣，特別是用于醫(yī)用植入物的聚合物。找到合適的表面與組織或肌肉結(jié)合可以幫助防止疤痕組織或植入排斥?？梢詮谋举|(zhì)上發(fā)現(xiàn)具有特定功能的序列，這正是肽和核酸在自然界中所起作用的核心，這將徹底改變我們制造肽的方式。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：西北大學(xué)

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-07717-6

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