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当地时间10月9日，诺贝尔化学奖2024年获奖名单公布。美国化学家大卫·贝卡（David Baker），英国谷歌AI深度学习科学家德米斯·哈撒比（Demis Hassabis）和约翰·琼珀（John M. Jumper）分享了该奖项。贝卡因其在计算蛋白质设计方面的贡献获奖，哈撒比和琼珀因在蛋白质结构预测方面的贡献获奖。诺贝尔化学奖奖金为1100万瑞典克朗（约合739.42万人民币）。贝卡获得该奖金数额的一半，哈撒比和琼珀则分分享奖金的另一半。与前一日颁布的诺贝尔物理学奖类似，本届诺贝尔化学奖也颁给了与人工智能相关的应用科学领域。而本届化学奖的主题则是蛋白质，获奖的两项研究都是关于蛋白质结构的。根据诺贝尔奖委员会的说法，这两项研究都有无可限量的潜力。
主题是蛋白质
今年的诺贝尔化学奖表彰了在解决这两个问题上取得的决定性突破——从序列预测结构以及从结构预测序列——其影响是极为深远的。如今，大多数单体蛋白质结构可以被高保真地预测，并且因此创建了包含数亿个结构的大型数据库，对生物化学和生物学研究产生了巨大影响。同样，通过计算设计，完全不在自然界中存在的全新蛋白质结构现在也可以被创造出来，并应用于各种生物技术和生物医学领域。这意味着，2024年诺贝尔化学奖最主要的关注点是蛋白质的结构之谜。
蛋白质是生命的巧妙化学工具，大卫·贝卡成功地完成了几乎不可能的任务——构建出全新种类的蛋白质。而哈撒比和 琼珀开发了一个人工智能模型，解决了一个存在50年的难题：预测蛋白质复杂的结构。这些发现具有巨大的潜力。生命的多样性证明了蛋白质作为化学工具的惊人能力。它们控制并推动了所有化学反应，这些反应共同构成了生命的基础。蛋白质还充当激素、信号物质、抗体和不同组织的构建块。诺贝尔化学奖委员会主席 汉拿·林可（Heiner Linke）表示：“今年被认可的发现之一与构建惊人的蛋白质有关，另一个则实现了一个50年的梦想：从氨基酸序列预测蛋白质结构。这两项发现都开启了巨大的可能性。”
蛋白质通常由20种不同的氨基酸组成，可以被称为生命的基石。2003年，贝卡成功地利用这些基石设计出一种与其他蛋白质完全不同的新蛋白质。自那时以来，他的研究团队创造出了一系列富有想象力的蛋白质，包括可用作药物、疫苗、纳米材料和微型传感器的蛋白质。
第二项获奖发现涉及蛋白质结构的预测。在蛋白质中，氨基酸连接成长链，并折叠成三维结构，这对于蛋白质的功能至关重要。自20世纪70年代以来，研究人员一直试图从氨基酸序列中预测蛋白质结构，但这极其困难。然而，4年前，哈撒比和琼珀取得了惊人的突破。2020年，哈撒比和琼珀展示了一个名为 AlphaFold2 的人工智能模型。在它的帮助下，他们几乎能够预测所有科学家已识别的2亿种蛋白质的结构。自这一突破以来，超过190个国家的200多万人使用过AlphaFold2。在众多科学应用中，研究人员现在能够更好地理解抗生素耐药性，并创建可以分解塑料的酶的图像。生命不可能在没有蛋白质的情况下存在。如今我们能够预测蛋白质结构并设计我们自己的蛋白质，这给人类带来了巨大的福祉。
AI“入侵”科学界
诺贝尔物理学奖颁给人工智能科学家已经引发了公众舆论的不解。今天的化学奖也被颁给了人工智能相关的研究。这可能预示着科学研究正在步入一个人工智能扮演核心角色的时代。在化学领域，蛋白质是生命构建的基础模块。这也意味AlphaFold2的工作具有如此的革命性。这种潜力已经被称赞多年。谷歌的子公司在2020年正式展示了该AI模型，极大地推动了解决一个困扰科学家的问题，即仅通过基因序列预测蛋白质的三维结构。
蛋白质的形状决定了它的功能，而确定其形状在历史上是一个缓慢且劳动密集的过程，通常需要多年的实验室实验。借助AlphaFold2，科学家能够将这个过程加速到仅需几小时，覆盖大约2亿种现存的蛋白质。这种数据的影响不容小觑，因为它对药物发现、疾病诊断和生物工程等领域至关重要。化学家们长期以来梦想着完全理解并掌握生命的化学工具——蛋白质。如今，这个梦想触手可及。哈撒比和琼珀成功利用人工智能，预测了几乎所有已知蛋白质的结构。
通过计算和人工智能，他们揭示了蛋白质的奥秘。生命丰富的化学反应之所以可能，答案就在于蛋白质。蛋白质的神奇之处是：氨基酸链会扭曲并折叠成一个独特的三维结构，而这种结构赋予了蛋白质以功能。一些蛋白质成为肌肉、角或羽毛的化学构建块，而另一些则可能成为激素或抗体。它们中的许多会形成酶，酶以惊人的精确度推动生命的化学反应。位于细胞表面的蛋白质也很重要，它们在细胞与其周围环境之间充当通信渠道。
这两项研究让人类进入了一个全新的阶段：蛋白质的结构设计和预测问题已基本解决。AlphaFold2团队立即创建了大规模的预测蛋白质结构数据库，首先是人类蛋白质组，然后是UniProt（通用蛋白质资源）数据库中大部分可用的序列（超过2亿种）。这意味着几乎一夜之间，我们获得了数量级更多的结构信息。同样，蛋白质设计领域也达到了一个新的阶段，其中一些最令人兴奋的研究领域是生物医学应用，如疫苗和基于蛋白质的抑制剂，以及合成生物学中的应用。
从卓越到卓越
哈撒比是英国领先的科技人物之一。他于今年因对人工智能的贡献被授予了骑士勋章。他在2010年与他人共同创立了人工智能研究实验室DeepMind，该实验室后来被谷歌收购。DeepMind的突破性成果包括开发出一种人工智能系统，其能够掌握围棋并以比预期更快的速度击败人类世界冠军。哈撒比于1976年出生在伦敦，毕业于剑桥大学，获得计算机科学一等荣誉学位。年轻时，哈撒比在多个学科中表现出色，青少年时就获得了国际象棋大师称号。除创建DeepMind外，他还是英国游戏开发公司牛蛙工作室（Bullfrog Productions）的首席程序员。谷歌在2014年以超过5亿美元的价格收购了DeepMind，琼珀于3年后加入，担任研究科学家。
贝卡告诉媒体，这个获奖消息让人感到兴奋。他在清晨的早些时候与妻子一起得知这个消息。在与诺贝尔奖官员和出席公布仪式的记者进行的公开电话中，贝卡被问及是否有他最喜欢的蛋白质。他说他喜欢所有蛋白质，并补充道：“所以我不想挑选最爱，但我可以告诉你，我们在新冠大流行期间设计的一个蛋白质，它可以对抗冠状病毒。我一直对鼻用喷雾剂充满期待，想象用小型设计蛋白质保护对抗所有可能的大流行病毒。”
新闻来源：Phys Org、NPR、Disrupt、CBC News、诺贝尔奖委员会，部分图片来源网络
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