合成生物学最新突破:哈佛Church神经网络法可预测蛋白质功能变化

从打败国际象棋大师的“深蓝”，到打败李世石的“Alpha Go”，横扫围棋界的“Master”，计算机深度学习已经进入生命科学领域：哈佛大学Church的UniRep神经网络通过深度学习，已经能准确预测蛋白质的氨基酸替换对蛋白质功能的影响，可将大量费力的实验室实验转移到计算机上，这对合成生物学的蛋白质工程将带来极为深刻的影响

　　

合成生物学正在崛起。科学家们不断尝试按照改造基因，改造蛋白质，改造生命。通过改变自然界中存在的蛋白质，甚至从头设计合成蛋白质，合成生物学家正在尝试掌控蛋白质进化。此类工程改造蛋白质可用于高效药物、能感测生物信号的合成基因回路组成部分、或以比基于石油的方法更有效和可持续的方式生产高价值化学品。

为了设计蛋白质，科学家使用了两种截然不同的方法：在“定向进化”中，他们随机改变编码天然蛋白质的氨基酸序列，从中筛选具有所需活性的蛋白质变体。在“合理设计”中则根据蛋白质实际3D结构对蛋白质进行建模，以识别出可能影响蛋白质功能的氨基酸。然而，在巨大的潜在蛋白质序列空间中，定向进化方法只能覆盖一小部分，而合理设计方法则受限于相对稀缺而难于得到的可分辨3D蛋白质结构。

现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院（HMS）的乔治·丘奇（George Church）博士领导的研究团队创建了第三种工程化蛋白质设计的方法，该方法利用深度学习直接从蛋白质的氨基酸序列中提取蛋白质的基本特征，而无需其他信息。该方法可稳健地预测天然蛋白质和从头设计（de novo）蛋白质的功能，并将大量费力的实验室实验转移到计算机上，与现有方法相比，可将成本降低多达两个数量级。该研究发表在《Nature Methods》上。

Church是Wyss研究所的创始核心教员，也是其合成生物学平台的负责人。他还是哈佛医学院遗传学Robert Winthrop教授，哈佛大学和麻省理工学院（MIT）的健康科学与技术教授。

三位共同第一作者之一的Surojit Biswas表示：“与其广泛表征蛋白质的特征从而了解其设计原理，不如通过使用神经网络在公共数据库中的大量原始蛋白质序列中系统地寻找模式、无偏见地学习这些规则。”这是Church团队的一名研究生。“神经网络能够通过学习掌握大量我们人类通过艰苦研究所了解的知识，不仅如此，它还能发现蛋白质的新特征。”

这种神经网络方法，研究人员将其命名为UniRep， "unified representation" （统一表述），可以类比为学习一种语言，在这种语言中，研究人员构建一套从字母字符串到单词到如何构成复杂句子的语义理解的规则。在蛋白质语言中，UniRep经过培训，可以探索公共数据库中包含的蛋白质序列中的所有可能性，从而实现从蛋白质的第一个氨基酸开始预测蛋白质序列中的下一个氨基酸。重要的是，在一次一个氨基酸地继续处理蛋白质的其余部分的同时，UniRep制作并绘制一个“现有的蛋白质序列”内部的“汇总”并考虑每个序列和结构特征，该小组将其称为“隐藏状态”。将这些信息以及来自许多其他蛋白质的结果反馈回其算法，UniRep逐渐改进其构造隐藏状态的方式，从而随着时间的推移提高了其预测能力。在语言类比中，基于对语法和单词选择的不断改进，学习者将能够以更高的可能性预测他正在阅读的句子的下一个单词。

“我们对UniRep进行了大约3周、约2400万种蛋白质序列的培训，以使其能够预测序列及其与序列相关的特性——诸如蛋白质稳定性、二级结构以及过去未知的周围溶液是否能到达内部序列，” Grigory Khimulya是哈佛大学的学生，文章的共同第一作者。 “ UniRep能准确地描述在先前的研究中已被很好地表征的、来自完全不同蛋白质家族中的蛋白质上述特征，甚至在自然界中没有对应蛋白质的合成蛋白质也一样能。”

该团队将UniRep更进一步，将其用于预测单个氨基酸替换如何影响蛋白质功能的工具。这个神经网络可靠地量化了8种不同蛋白质中单个氨基酸突变的影响——包括对酶催化能力，DNA结合能力，分子传感等生物学功能。此外，研究人员使用维多利亚水母绿色荧光蛋白（GFP）作为模型，要求UniRep分析该蛋白的64,800个变异体，每个变异体带有1-12个突变，结果表明UniRep可以准确地预测突变的分布和相对负担会如何改变了蛋白质的亮度。

Church说：“与其他策略相比，我们的数据驱动方法在预测蛋白质的多种特性方面达到了巧妙的或更高的性能，而成本却远低于其他方法。” “这使它成为能在许多领域真正为蛋白质工程师助力的工具。”

“这种基于计算机深度学习的、新的蛋白质工程方法将有很大的潜力能加速合成蛋白质设计，其功能可以根据任何所需应用而量身定制，无论是面对治疗，诊断，生物制造，生物催化或任何其他应用。它的确可以改变我们将来进行分子设计的方法。Wyss创始董事Donald Ingber博士说，他也是HMS的Judah Folkman教授，波士顿儿童医院的血管生物学项目教授，哈佛大学 John A. Paulson工程与应用科学学院生物工程教授。