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人工智能首次預(yù)測蛋白質(zhì)“光學(xué)指紋” 相關(guān)成果日前發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》上

2019-06-10 11:26:43來源：科技日報

記者從中國科大獲悉

，該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊教授與其合作者合作

，通過利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模擬了蛋白質(zhì)肽...

記者從中國科大獲悉

，該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊教授與其合作者合作

，通過利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

，模擬了蛋白質(zhì)肽鍵結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系，大大降低了計算量

，為預(yù)測蛋白質(zhì)的光學(xué)特性提供了一種高效的工具

。相關(guān)成果日前發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》上

。

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)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜多變

，需要做大量的高精度的量子化學(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)也“吃不消”

。所以蛋白質(zhì)光譜的理論解讀是一個長期的困難與挑戰(zhàn)，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)

。

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

，得到了五萬組不同構(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

，二面角跟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

?div id="m50uktp" class="box-center"> ；谟?xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測出了肽鍵的基態(tài)偶極矩及激發(fā)態(tài)性質(zhì)

，最后預(yù)測出肽鍵的紫外吸收光譜

。為了驗證機(jī)器學(xué)習(xí)模型的魯棒性，研究人員又基于300K的溫度下得到的機(jī)器學(xué)習(xí)模型

，預(yù)測出肽鍵在200K以及400K溫度下的紫外吸收光譜，其結(jié)果與時間密度泛函理論計算結(jié)果達(dá)到很好的吻合

。

這是人工智能技術(shù)首次用于理論計算預(yù)測蛋白質(zhì)的光譜研究

。通過理論計算得到大量數(shù)據(jù)，使用人工智能加以訓(xùn)練后

，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”解讀也將會變得更加輕易和有效。

責(zé)任編輯：孫知兵

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