自然界中的折紙:蛋白質結構預測

預測蛋白質如何折疊在活的有機體內是蛋白質組學和理論化學的聖杯。目前的希望是可以通過設計一個在網上也可以預測蛋白質折疊的平台新創(也就是從頭開始)或者使用已知的蛋白質作為指導。我們需要做什麼，我們為什麼要這樣做，為什麼這麼難，我們現在的進展如何?讓我們深入研究預測蛋白質折疊的世界。無論你是新手還是希望了解更多，這篇文章都適合你!

1.蛋白質折疊是什麼意思:

蛋白質是由氨基酸構成的。有人形容它就像串在項鏈上的珍珠。然而，隻有當你把蛋白質想象成一條長長的、展開的鏈時，這才有幫助。事實上，蛋白質以複雜的折疊和扭曲的陣列存在，經常在特定的環境中與其他蛋白質相互作用。每種氨基酸都有其獨特的化學性質，這導致人們對某些其他氨基酸和水環境的偏好或不屑。

2.我們想要預測蛋白質結構的原因:

聖杯是自動化的蛋白質結構預測。為了能夠預測一串氨基酸是如何折疊的，該程序需要知道某些信息，包括但不限於:

• 氨基酸序列
• 序列中每個氨基酸的性質
• 折疊發生的環境屬性
• 蛋白質是否會與其他蛋白質相互作用(稱為四元結構)
• 該序列是否與其他折疊模式已很好理解的序列有相似之處。

3.我們如何預測蛋白質折疊:

該程序的關鍵是能夠識別折疊中的可能模式。該程序將研究蛋白質的初級結構和氨基酸延伸鏈，並挑選出表明其可能以特定方式折疊的特征。例如，一個普遍存在的折疊模式是alpha(?)螺旋。例如，富含丙氨酸、穀氨酸、亮氨酸和蛋氨酸，而脯氨酸、甘氨酸、酪氨酸和絲氨酸含量較低的區域傾向於形成α螺旋。根據螺旋結構在蛋白質上的位置，它將具有某些特性。因此，在富含水的溶液中折疊的蛋白質表麵暴露出的螺旋，其親水性氨基酸的比例比那些在蛋白質被覆蓋的核心中形成的螺旋或在富含脂質的溶液中形成的蛋白質表麵形成的螺旋高。通過挑選出所有這些特征，程序將開始計算出最有利於蛋白質折疊的能量方式。

4.為什麼很難預測:

首先，來自完全不同來源和進化背景的兩條完全不同的氨基酸鏈，序列相似性很小，可能折疊成非常相似的結構。因此，序列相似性可能不能說明預測蛋白質結構的全部情況。

其次，兩種具有統計上顯著程度的序列相似性的蛋白質可能是從共同的祖先進化而來的。然而，在進化過程中，基因複製和基因重排可能會產生新的基因副本，這些副本可以進化成具有新的功能和結構的蛋白質。這意味著，盡管這兩個蛋白質序列可能具有相似的序列，但它們的折疊可能非常不同!

第三，甚至嚐試蛋白質結構預測都需要非常強大的計算機和經驗豐富的專家，因為有太多的變量。因此，在某些情況下，高昂的成本是一個障礙。

第四，有太多的未知數。很難充分了解一種蛋白質，它的特定微環境，以及在活的有機體內折疊過程預測其結構。預測軟件所基於的變量和假設的數量也是一個問題。

目前，最先進的軟件可以預測蛋白質折疊，準確率約為80%，每周的表格是可用的，如LiveBench和伊娃．一些實驗室已經將他們的軟件開源，以允許眾包方法——甚至允許“普通人”參與——包括計算程序,人類蛋白質組折疊項目，為世界提供營養大米,Folding@home．一個公開的項目被稱為FoldIt，這是一個非常聰明和獨特的在線遊戲，教你蛋白質折疊，並為科學家提供新的解決方案。玩家可以解決真正的蛋白質問題，比如瞄準和根除疾病，以及創造生物創新。一個2010年發表在《自然》雜誌上的論文Foldit的5.7萬名玩家提供了與算法計算解決方案相匹配或優於算法計算解決方案的有用結果。

5.接下來是什麼?

就我個人而言，我覺得一切都是循環的。科學開始於普通人，然後他們變得越來越受教育和專業化，直到今天有了在自己的小領域成為專家的科學家。然而，要做到像蛋白質折疊這樣複雜的事情，你需要很多專家。專家們養成了以某種方式思考問題的習慣，當你到達科學家食物鏈的頂端時，人們是如此專業，以至於很難相互交流(一般來說!)普通人有能力提出新的觀點和新的思維方式，普通人比專家科學家多得多。我覺得利用公眾參與的“蜂群思維”可以取得巨大的進步!

你對使用基於人群的方法來解決複雜問題有什麼看法?請在評論中告訴我們更多信息。

專題圖片由katsuuu 44．