記者6月10日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校教授江俊、羅毅與美國加州大學(xué)爾灣分?？茖W(xué)家合作，利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成功預(yù)測了蛋白質(zhì)肽鍵紫外光譜，模擬了肽鍵結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系，并大大減少了計算量。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期著名期刊《美國科學(xué)院院報》上。人工智能與量子化學(xué)理論計算的結(jié)合，為預(yù)測蛋白質(zhì)光學(xué)特性提供了一種高效工具。
蛋白質(zhì)是生命的基石。蛋白質(zhì)的光譜響應(yīng)信號，尤其是紫外光譜，可以稱之為蛋白質(zhì)骨架的“指紋”。這個“光學(xué)指紋”，經(jīng)過理論模擬的解讀，可以揭示出精確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷提供極其重要的信息。然而，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，需要做大量高精度的量子化學(xué)理論計算。由于計算量太大，即使是最厲害的超級計算機(jī)輕易也“吃不消”，這也限制了光譜的準(zhǔn)確分析和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。
江俊課題組近些年致力于發(fā)展機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在量子化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在本工作中，研究人員首先在300K溫度下通過分子動力學(xué)模擬以及量子化學(xué)計算，得到5萬組不同構(gòu)型的肽鍵模型分子。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法篩選出鍵長、鍵角、二面角、電荷信息作為描述符，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建肽鍵基態(tài)結(jié)構(gòu)與其激發(fā)態(tài)性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系。基于訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測出肽鍵的基態(tài)偶極矩及激發(fā)態(tài)性質(zhì)，最后成功預(yù)測出肽鍵的紫外吸收光譜。
這是人工智能技術(shù)首次用于理論計算預(yù)測蛋白質(zhì)光譜研究，確立了機(jī)器學(xué)習(xí)模擬蛋白質(zhì)肽鍵骨架紫外吸收光譜的可行性和優(yōu)勢，蛋白質(zhì)的“光學(xué)指紋”解讀將會變得更加輕易有效。
