每解析一个蛋白质结构，就会有一种疾病“消失”？生物计算有多强如果有一位科学家跟你说

如果有一位科学家跟你说，他是做蛋白质结构研究的，我想绝大多数人脑海中会浮现出这样的景象：他穿着白大褂，聚精会神地坐在显微镜前观察。这似乎已经成了生物化学家的标准形象。然而有一天你去他办公室，却发现根本看不到显微镜和试管，只看到他穿着宽大舒服的便装，在电脑上噼里啪啦地敲代码，这个景象必然会让很多人大吃一惊。

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实际上，准确地说，这位科学家是一位生物计算学家（或计算生物学家）。他的研究对象的确是像蛋白质或者DNA这样微小的生物活性物质，但他和传统的生物化学家不同的是，他的研究工具不是试管和显微镜，而是——计算机。

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很多人在初次看到类似“某某公司进军生物计算”这样的新闻标题时，往往会产生强烈的不明觉厉的感觉。甚至有人以为是该公司要用生物活性物质来制造计算机，就像科幻电影中出现的那种插满电极的一摊软乎乎的脑组织。

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这真是一个天大的误会。这些新闻其实说的是：某公司要设计一种AI算法，它能够根据有限的蛋白质信息，准确地绘制出蛋白质的三维结构。打个形象的比喻，这家公司相当于要帮助警察设计一个程序，它能根据受害人的描述，准确地绘制出凶手的外貌。
绘制出某个蛋白质的三维结构对于新药研发，例如新冠病毒的疫苗研发有着极其重大的意义。但是，这个问题也极为困难，它是当今人类科学面临的几个至关重要的挑战之一。想要知道它难在哪里，又为什么意义重大，往下看。
蛋白质折叠问题蛋白质从微观上来说，就是一团有机大分子。它是构成生命的基本零件，每一种蛋白质都有一个特定的三维结构，但这种三维结构有一个特殊之处：它一定是由一根长长的链条折叠而成的。要理解蛋白质的三维结构到底是怎样的，你只需要去玩一种叫“百变魔尺”的儿童玩具，就能马上理解。百变魔尺是一节一节的，每一节都可以做各个角度的翻转。因此，你可以把一根长长的魔尺折叠成各种各样的形状，魔尺的节数越多，能够折叠出的形状数量就会呈指数级的增长。

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组成蛋白质的基本单元是氨基酸，它就像魔尺的一个“节” 。蛋白质刚刚生成时，就像一根长长的几十到几百节的魔尺。然后，它会在几微秒到几毫秒的时间内，迅速地折叠成一个特定的形状。因此，在电子显微镜中，每一个蛋白质就像是一团乱麻。

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因此，决定一个蛋白质性状和功能的，就是构成蛋白质的氨基酸序列和蛋白质最终折叠成的形状。比如，我们的免疫系统在面对病毒和细菌入侵时，就会产生一种“Y”字形的抗体蛋白。它们的形状就像是一个抓娃娃机的夹子，能够精确瞄准并夹住这些入侵者。

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正在瞄准和识别病毒的抗体
我们的韧带、骨骼和皮肤之间有大量的胶原蛋白。它们的形状就像是由三根粗绳拧成的麻花，为我们的皮肤提供张力，使其显得有弹性。

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麻花状的胶原蛋白
再比如， 2020年获得诺奖的基因定点编辑技术CRISPR ，也正是利用了一个长得像螃蟹钳子的CAS9蛋白。它会“紧紧地夹住”基因组中某段特定的DNA ，从而进行剪切。

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因此，科学家们对蛋白质最感兴趣的是2个信息：一个是蛋白质的氨基酸序列，你可以想象成魔尺的那些“节”；另一个则是蛋白质的结构，也就是魔尺折叠后的形状。
序列信息相对容易获得，但结构信息却极难获得。偏偏结构信息又更重要，因为知道了一个未知蛋白质的结构，就可以更准确地理解它在细胞中的作用。如果这个蛋白质与某种疾病相联系，那么科学家们就能根据它的结构形状，开发出相应的药物。
1972年，诺贝尔化学奖获得者克里斯蒂安·安芬森提出了一个假说：其实我们只需要知道一个信息就足够了。因为他在实验中发现，一个蛋白质只要序列不发生改变，并且一直处于同一个化学环境中，那么它每次都能折叠成一样的三维结构。所以，蛋白质在三维空间中该如何折叠，这些信息其实已经包含在了它的氨基酸序列中。换句话说，如果我们知道了一个蛋白质的氨基酸序列，理论上我们就应该能推测出它的三维结构。