AlphaFold是由谷歌DeepMind开发的一款蛋白质结构预测程序。以下是对它的详细介绍:

发展历程

  • 2018年:AlphaFold 1推出,在当年的CASP(蛋白质结构预测的关键评估)竞赛中排名第一,将过去预测蛋白质结构的准确性从最多40%提高到了近60%。
  • 2020年:AlphaFold 2发布,在CASP竞赛中中位分数为92.4(满分100),准确度远高于其他程序。
  • 2021年:DeepMind与欧洲生物信息学研究所合作,公开了包含数以万计蛋白质结构预测的数据库阿尔法折叠DB。
  • 2024年:5月,AlphaFold 3发布,将技术扩展到蛋白质折叠之外,能准确预测蛋白质、DNA、RNA、配体等生命分子的结构及相互作用。

技术原理

  • AlphaFold以深度神经网络为基础,从基因序列中预测蛋白质的两种物理性质,即氨基酸对之间的距离及连接这些氨基酸的化学键之间的角度。
  • 先训练一个深度神经网络来预测蛋白质中每对氨基酸残基之间距离的分布情况,并将这些数值转化为评分以评估蛋白质结构的精确程度。同时,另外训练一个神经网络利用这些距离数值来评估预测结构与真实结构的接近程度。
  • 在这些评分函数基础上使用生成神经网络,不断生成新的蛋白质片段替换旧的蛋白质结构,以提高蛋白质结构的评分。还使用梯度下降的方式让预测的结构变得高度精确。

应用领域

  • 药物研发:能快速准确地预测蛋白质结构,帮助研究人员更好地理解疾病相关蛋白的作用机制,为药物设计提供关键的结构信息,加速先导化合物的筛选,缩短药物研发周期。
  • 基础生物学研究:为分子生物学、结构生物学等领域提供了强大的工具,使科研人员可以更深入地研究蛋白质的功能、进化以及蛋白质之间的相互作用,推动基础生物学理论的发展。
  • 蛋白质工程:通过预测蛋白质结构,指导蛋白质的改造和设计,例如优化酶的活性、稳定性和特异性,开发具有特定功能的新型蛋白质材料等。

意义与影响

  • AlphaFold的出现被认为是生物学领域的重大突破,改变了蛋白质结构研究的传统方式,极大地提高了研究效率。它的开源以及数据库的公开,促进了全球科研人员在相关领域的合作与创新,为生命科学研究带来了新的机遇和发展方向。
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