融合人工智能和自动化的蛋白质设计表征实验教学实践 被引量：1

1

作者 姜雨佳 于洋 《实验技术与管理》 北大核心 2025年第3期190-197,共8页

在生物化工研究向智能化、自动化转型背景下,为生物化工专业方向一年级研究生开发了名为“蛋白质计算设计与表征”的实验课程。该课程基于人工智能方法的蛋白质计算设计与无细胞蛋白质合成及使用自动液体工作站等先进仪器进行高通量筛... 在生物化工研究向智能化、自动化转型背景下,为生物化工专业方向一年级研究生开发了名为“蛋白质计算设计与表征”的实验课程。该课程基于人工智能方法的蛋白质计算设计与无细胞蛋白质合成及使用自动液体工作站等先进仪器进行高通量筛选等实验技术相结合,完成整个蛋白质工程工作流程,即从计算机设计和基因合成到蛋白质表达、纯化和功能表征。通过融合蛋白质计算(“干实验”)和蛋白质表达(“湿实验”),该课程使学生在掌握基本生化操作的同时,培养跨学科高效解决问题能力。通过广泛接触自动化仪器,学生可以获得与自动化生化实验室相关的实践经验,是一种将新兴技术和跨学科方法融入生物化工研究生实践教学的有效模式。 展开更多

关键词 生物化工实验课程 蛋白质计算设计 无细胞蛋白质合成 高通量筛选

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基于HNP模型及相对熵的蛋白质设计方法在不同蛋白质体系中的应用 被引量：1

2

作者 齐立省 苏计国 +1 位作者 陈慰祖 王存新 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2008年第9期1070-1076,共7页

详细考察了基于HNP(H:hydrophobic,N:neutral,P:hydrophilic)模型及相对熵的蛋白质设计方法对于不同结构类型蛋白质的适用性,并与基于HP模型的结果进行了比较.通过对190个4种不同结构类型的蛋白质进行预测,结果表明,基于HNP模型及相对... 详细考察了基于HNP(H:hydrophobic,N:neutral,P:hydrophilic)模型及相对熵的蛋白质设计方法对于不同结构类型蛋白质的适用性,并与基于HP模型的结果进行了比较.通过对190个4种不同结构类型的蛋白质进行预测,结果表明,基于HNP模型及相对熵的设计方法对于不同结构类型的蛋白质具有普适性.进一步的研究发现,对于α螺旋、β折叠等规则的二级结构,该方法的预测成功率高于无规卷曲结构预测成功率.另外,还比较了对不同氨基酸的预测差异,结果显示亲水残基的预测成功率较高.此外,研究表明该方法对于蛋白质保守残基的预测成功率高于非保守残基.在以上分析的基础上,进一步讨论了导致这些差异的原因.这些研究为基于相对熵的蛋白质设计方法的实际应用和进一步的发展打下了良好基础. 展开更多

关键词 蛋白质设计 相对熵 结构类型 氨基酸简化模型

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非格子模型的蛋白质设计方法

3

作者 刘赟 王存新 +1 位作者 王宝翰 陈慰祖 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2004年第1期106-109,共4页

为了克服双重蒙特卡罗方法用于较大分子体系及非格子模型的困难,提出了一个基于相对熵的蛋白质设计的简单方法.利用非格子模型,以16个处于天然稳定态的真实蛋白质为目标结构进行测试,成功率可达75.9％.与其他利用Monte Carlo方法搜索序... 为了克服双重蒙特卡罗方法用于较大分子体系及非格子模型的困难,提出了一个基于相对熵的蛋白质设计的简单方法.利用非格子模型,以16个处于天然稳定态的真实蛋白质为目标结构进行测试,成功率可达75.9％.与其他利用Monte Carlo方法搜索序列空间的方法相比,该方法更为快速有效,在很大程度上节省了对序列空间的搜索. 展开更多

关键词 蛋白质设计 蛋白质逆折叠 相对熵

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基于图神经网络的固定骨架蛋白质设计方法研究

4

作者 刘炎 袁野 沈红斌 《南京理工大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期311-317,329,共8页

针对图神经网络(GNN)ProteinSolver结构特征约束不充分的问题,增加了骨架二面角、配对氨基酸的相对位置编码和相对方向等结构约束,提出了一种基于GNN的固定骨架蛋白质设计方法。实现了基于Transformer多头注意力机制的GNN架构,将物理坐... 针对图神经网络(GNN)ProteinSolver结构特征约束不充分的问题,增加了骨架二面角、配对氨基酸的相对位置编码和相对方向等结构约束,提出了一种基于GNN的固定骨架蛋白质设计方法。实现了基于Transformer多头注意力机制的GNN架构,将物理坐标添加到消息传递和更新步骤中,提高了原子坐标的等变特性。在CATH数据集上的训练和测试结果显示:该文模型平均困惑度为8.12,比ProteinSolver的平均困惑度8.97降低了0.85;在掩盖率为50%时,ProteinSolver的恢复率为28.7%;然后,增加更多的结构约束,恢复率达到了30.3%;随后,将ProteinSolver的GNN替换成基于Transformer的GNN,恢复率达到了34.3%;最后,通过再引入等变特性,恢复率进一步提高到35.0%。 展开更多

关键词 图神经网络 固定骨架蛋白质 蛋白质设计 结构特征约束 骨架二面角 配对氨基酸 相对位置编码 相对方向

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AlphaFold时代的蛋白质相关人工智能算法及其应用 被引量：2

5

作者 孙雨楠 叶川 赵东宇 《生理科学进展》 北大核心 2025年第3期202-209,共8页

蛋白质是生命活动的物质基础。蛋白质的功能取决于其空间结构,因此解析蛋白质的空间结构对于理解其功能至关重要。人工智能(artificial intelligence,AI)模型的利用极大地推进了蛋白质空间结构预测算法的开发,AlphaFold2是该领域里程碑... 蛋白质是生命活动的物质基础。蛋白质的功能取决于其空间结构,因此解析蛋白质的空间结构对于理解其功能至关重要。人工智能(artificial intelligence,AI)模型的利用极大地推进了蛋白质空间结构预测算法的开发,AlphaFold2是该领域里程碑式的成果,使得快速、准确且大规模的蛋白质空间结构预测成为可能。此外,蛋白质语言模型、蛋白质相互作用预测以及蛋白质设计等领域均在AlphaFold时代迎来快速发展,代表性的模型包括ESM2、ScanNet、RFdiffusion和RoseTTAFold-All Atom等。这些基于人工智能的新算法的开发极大地促进了蛋白质功能、诱发疾病的机制和药物设计等领域的研究。 展开更多

关键词 蛋白质结构预测 AlphaFold2 蛋白质语言模型 蛋白质相互作用预测 蛋白质设计

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人工智能重塑蛋白质工程:从结构解析到合成生物学的算法革命

6

作者 蔡如凤 杨宇轩 +1 位作者 于基正 李佳楠 《生物技术通报》 北大核心 2025年第8期1-10,共10页

蛋白质功能与其三维结构间存在着密不可分的关联,这一认知长期引领着生命科学领域的探索方向。科学家们为解析蛋白质结构投入了大量精力,而蛋白质测序技术的迅猛发展,使得序列数据呈指数级增长,与结构研究进展之间的差距日益显著。过去... 蛋白质功能与其三维结构间存在着密不可分的关联,这一认知长期引领着生命科学领域的探索方向。科学家们为解析蛋白质结构投入了大量精力,而蛋白质测序技术的迅猛发展,使得序列数据呈指数级增长,与结构研究进展之间的差距日益显著。过去十几年间,人工智能技术的蓬勃发展为这一困境带来了转机,其以深度学习、神经网络等核心算法为支撑,推动蛋白质工程迎来了全新变革。借助人工智能技术,新一代蛋白质结构预测和设计方法取得重大突破。这些基于先进算法的工具,极大地提高了蛋白质结构建模的准确性和速度。它们不仅助力结构生物学、药物研发等领域的发展,还为蛋白质合成提供了关键依据。除此之外,人工智能正推动蛋白质研究从“结构解析”向“逆向设计”转型。通过构建序列-结构-功能的多维度关联模型,研究人员能够基于特定功能需求,反向设计具有预期结构的蛋白质序列。从而更精准地设计蛋白质序列,为生物合成开辟新路径。本综述聚焦于人工智能在蛋白质工程中的核心作用,阐述了蛋白质工程目前所面临的挑战和传统蛋白结构解析方法所面临的瓶颈,并以此引入介绍了基于人工智能的结构预测工具的发展,分析其在蛋白质合成中的应用;探讨人工智能驱动下,从结构解析到合成蛋白的算法革命及未来潜在方向,以期为该领域的研究提供参考。 展开更多

关键词 人工智能 蛋白质工程 蛋白质结构预测 蛋白质设计 生物合成

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AlphaFold结构预测的重大突破及其对蛋白质研究的影响与挑战 被引量：3

7

作者 宫维斌 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第12期3073-3083,共11页

近年来,基于深度学习的方法研究在蛋白质结构预测领域实现了重大突破。AlphaFold 2 (AF2)于2021年开源发布,实现了蛋白质暨蛋白质复合物三维结构的高精度预测,使得研究人员能够快速获取可靠的三维结构信息,显著加速了蛋白质结构与功能... 近年来,基于深度学习的方法研究在蛋白质结构预测领域实现了重大突破。AlphaFold 2 (AF2)于2021年开源发布,实现了蛋白质暨蛋白质复合物三维结构的高精度预测,使得研究人员能够快速获取可靠的三维结构信息,显著加速了蛋白质结构与功能研究的进展。2024年发布的AlphaFold 3 (AF3)更进一步,能对蛋白质-核酸、蛋白质-小分子等生物复合物的三维结构进行精准预测。AF3采用改进的算法与更高效的模型,大幅提升了预测准确度,特别是在抗原-抗体复合物、蛋白质-小分子复合物等方面展现出卓越的性能。AlphaFold的成功不仅为结构生物学带来了革命性进展,还在药物研发、蛋白质设计、分子功能机制研究等领域展示了巨大的应用潜力,推动了生物医学研究的革新。本文将回顾AlphaFold及相关蛋白质结构预测方法的研发历史,概述其关键技术和当下应用,并结合其局限性,展望未来的研究方向和应用。 展开更多

关键词 AlphaFold 深度学习 大数据 蛋白质结构预测 生物分子复合物结构预测 蛋白质设计

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智能蛋白质工程

8

作者 王凯悦 叶盛 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第12期3084-3102,共19页

蛋白质是生命活动的重要基础物质,在生物体内扮演着多种关键角色,包括构建细胞结构、参与代谢和能量转化、调节生理功能、提供免疫保护、传递信号等。蛋白质多样化的功能是通过其特定的氨基酸序列,以及相应的三维结构来实现的。蛋白质... 蛋白质是生命活动的重要基础物质,在生物体内扮演着多种关键角色,包括构建细胞结构、参与代谢和能量转化、调节生理功能、提供免疫保护、传递信号等。蛋白质多样化的功能是通过其特定的氨基酸序列,以及相应的三维结构来实现的。蛋白质工程通过改变或设计蛋白质的序列与结构来实现特定的功能,从而扩展对蛋白质的理解,并为生物医学、生物材料、生物工程及其他领域的研究提供强大的工具和技术支持。近年来,随着算法的进步、大数据的积累,以及硬件计算能力的提升,人工智能技术得到了快速发展,并逐渐应用于蛋白质工程领域,形成了智能蛋白质工程。通过运用基因组、蛋白质组、蛋白质结构数据库等生物学大数据,以及在数据基础上建立各类先进的深度学习模型,智能蛋白质工程能够实现高效、精准、可预测的蛋白质设计和改造。本文主要侧重于智能蛋白质工程的四个方面,即结构设计、无骨架的序列设计、基于骨架的序列设计,以及其他辅助设计方法,总结了人工智能技术在这些领域取得的最新进展,并汇总了近年来采用智能蛋白质工程技术取得的实践成果。智能蛋白质工程作为一种新兴的技术和方法,展示了巨大的潜力和前景,为未来科学研究和技术创新带来深远的影响,并为解决全球性挑战提供新的解决方案和工具。 展开更多

关键词 蛋白质工程 蛋白质设计 密码子优化 蛋白质结构 深度学习 深度生成 人工智能

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蛋白质相互作用：界面分析,结合自由能计算与相互作用设计 被引量：11

9

作者 白红军 来鲁华 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2010年第7期1988-1997,共10页

蛋白质相互作用在生命活动中起着重要作用.研究蛋白质间相互作用的本质有助于了解生命活动中这些基本单元的作用.本文主要综述了近期蛋白质相互作用研究的进展,包括蛋白质相互作用界面的基本性质,蛋白质结合自由能的计算方法,不同相互... 蛋白质相互作用在生命活动中起着重要作用.研究蛋白质间相互作用的本质有助于了解生命活动中这些基本单元的作用.本文主要综述了近期蛋白质相互作用研究的进展,包括蛋白质相互作用界面的基本性质,蛋白质结合自由能的计算方法,不同相互作用在蛋白质结合/解离中的角色和差异,以及上述知识在蛋白质相互作用设计中的应用.蛋白质相互作用界面的特性,例如界面大小、保守性以及结构的动态性质,使得具有生物功能的蛋白质相互作用界面区别于非特异性的晶体堆积界面.生物功能界面的一个重要结构特征是界面上存在着关键残基以及相对独立的相互作用模块.利用多种方法,如MM-PBSA、统计平均势以及不同的相互作用自由能模型,可以在不同的精度上计算蛋白质相互作用自由能.利用蛋白质相互作用界面的特点,从不同的角度进行蛋白质相互作用对的设计与改造,近年来已经有了不少成功的例子,但还存在着很大的挑战.我们认为在今后的蛋白质相互作用设计中,考虑各种因素对蛋白质结合与解离的动力学过程的影响将有助于提高人类控制蛋白质相互作用的能力. 展开更多

关键词 蛋白质相互作用 界面性质 界面结构特征 结合自由能计算 蛋白质相互作用设计 蛋白质结合/解离

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人工智能蛋白质结构设计算法研究进展 被引量：7

10

作者 陈志航 季梦麟 戚逸飞 《合成生物学》 CSCD 2023年第3期464-487,共24页

蛋白质是各类生命活动不可缺少的承担者,其序列决定了折叠后的三维结构和功能。这些具有特定功能的蛋白质在生物医学等多个领域具有重要的应用价值。计算蛋白质设计可以根据所需的蛋白功能和结构设计氨基酸序列,生成自然界中不存在的蛋... 蛋白质是各类生命活动不可缺少的承担者,其序列决定了折叠后的三维结构和功能。这些具有特定功能的蛋白质在生物医学等多个领域具有重要的应用价值。计算蛋白质设计可以根据所需的蛋白功能和结构设计氨基酸序列,生成自然界中不存在的蛋白质。传统计算蛋白质设计通常采用能量函数和特定的搜索优化算法获得设计的序列。近年来,随着先进算法的发展、大数据的积累和计算机硬件算力的增长,人工智能技术得到了蓬勃发展,并逐渐应用于蛋白质设计领域。本文综述了近年人工智能在蛋白质结构设计中的进展,侧重于各类算法的介绍,从固定骨架设计、可变骨架设计和序列结构生成三个方面回顾了最新的蛋白质结构设计算法,并阐明了其相对于传统计算方法的新颖性和创新性。在人工智能技术的赋能下,蛋白质设计的成功率和合理性获得大幅提高,按需功能蛋白设计的时代即将到来。 展开更多

关键词 蛋白质设计 蛋白质工程 人工智能 深度学习 蛋白质序列与结构

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蛋白质相互作用预测、设计与调控 被引量：7

11

作者 张长胜 来鲁华 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2012年第10期2363-2380,共18页

蛋白质相互作用是生命活动在分子水平上的基本事件.蛋白质相互作用的三维图像可以给出关键生命活动过程的分子细节.了解蛋白质相互作用的原理有助于揭示生命活动的机制,并在此基础上开展有重要价值的蛋白质设计.本文对于蛋白质相互作用... 蛋白质相互作用是生命活动在分子水平上的基本事件.蛋白质相互作用的三维图像可以给出关键生命活动过程的分子细节.了解蛋白质相互作用的原理有助于揭示生命活动的机制,并在此基础上开展有重要价值的蛋白质设计.本文对于蛋白质相互作用预测、设计和调控研究的近期进展进行了总结归纳,介绍了作者实验室在相关领域的研究进展,并对今后的研究方向进行了展望.主要包括:(1)蛋白质相互作用网络、蛋白质相互作用机制和蛋白质复合物结构计算分析;(2)基于序列、结合位点以及复合物结构的蛋白质相互作用预测;(3)蛋白质相互作用设计方法;(4)利用化学分子调控蛋白质相互作用的方法;(5)针对蛋白质相互作用的蛋白质药物设计方法. 展开更多

关键词 蛋白质相互作用 相互作用预测 蛋白质-蛋白质对接 蛋白质相互作用设计 蛋白质药物 药物设计

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来鲁华教授课题组在蛋白质功能设计领域取得重要进展

12

《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第3期394-394,共1页

北京大学理论生物学中心／化学与分子工程学院来鲁华教授领导的课题组在功能蛋白质设计方面取得可喜进展，其研究成果发表于2007年3月27日出版的《美国科学院院刊》上（Liu S, Liu SY, Zhu XL, Liang HH, Cao AN, Chang ZJ and Lai LH＊... 北京大学理论生物学中心／化学与分子工程学院来鲁华教授领导的课题组在功能蛋白质设计方面取得可喜进展，其研究成果发表于2007年3月27日出版的《美国科学院院刊》上（Liu S, Liu SY, Zhu XL, Liang HH, Cao AN, Chang ZJ and Lai LH＊ .Nonnatural protein-protein interaction-pair design by key residues grafting. PNAS, 104：5330-5335,2007）。该论文的第一作者刘森同学是理论生物学中心2002年正式招收的第一批跨学科的研究生。论文发表后引起了学界关注，BioCentury就此成果发表了专访。 展开更多

关键词 蛋白质设计 课题组 蛋白质功能 理论生物学 论文发表 工程学院 北京大学 研究成果

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生成模型在蛋白质序列设计中的应用 被引量：2

13

作者 伍青林 任玉彬 +2 位作者 翟小威 陈东 刘凯 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第1期3-17,共15页

蛋白质是一切生命体的物质基础,是生命活动的主要承担者,参与各种生理功能的调节。设计具有特定功能的蛋白质在蛋白质工程、生物医药、材料科学等领域具有重要意义。蛋白质序列设计的目标是设计能够折叠成期望结构并具有相应功能的氨基... 蛋白质是一切生命体的物质基础,是生命活动的主要承担者,参与各种生理功能的调节。设计具有特定功能的蛋白质在蛋白质工程、生物医药、材料科学等领域具有重要意义。蛋白质序列设计的目标是设计能够折叠成期望结构并具有相应功能的氨基酸序列,是所有理性蛋白质工程的核心问题,具有极其重要的研究和应用潜力。随着蛋白质序列数据的指数型增长和深度学习技术的快速发展,生成模型越来越多地被应用于蛋白质序列设计。本文简要介绍了蛋白质序列设计的重要意义和主要方法,概述了应用于蛋白质序列设计的主要生成模型,介绍了近年来生成模型在蛋白质序列表示、生成和优化方面的最新研究和应用现状,并对未来的发展方向进行讨论与展望。 展开更多

关键词 蛋白质序列设计 生成模型 变分自动编码器 生成对抗网络 表示学习 强化学习

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全新设计蛋白质的折叠机制 被引量：1

14

作者 张竹青 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2012年第10期2381-2389,共9页

蛋白质全新设计和折叠研究是从两个不同的方向来理解蛋白质序列-结构-功能关系这一结构生物学重要问题.蛋白质全新设计取得的成功实例一定程度上检验了人们对蛋白质结构和相互作用理解的准确性,但它们中多数所表现的不同于天然蛋白质的... 蛋白质全新设计和折叠研究是从两个不同的方向来理解蛋白质序列-结构-功能关系这一结构生物学重要问题.蛋白质全新设计取得的成功实例一定程度上检验了人们对蛋白质结构和相互作用理解的准确性,但它们中多数所表现的不同于天然蛋白质的折叠动力学特征也表明,要达到最终的功能化实现目标还面临着不少的挑战.本文综述了蛋白质全新设计的发展过程及现状,蛋白质折叠研究在实验、理论及模拟方面的研究进展,以及全新设计蛋白质的折叠机制的研究现状.阐述了深入了解全新设计蛋白质与天然蛋白质折叠机制的不同,可以为进一步有效地合理化设计蛋白质提供有益的参考. 展开更多

关键词 蛋白质全新设计 蛋白质折叠 目标结构 折叠动力学特征

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DRSP:蛋白质单残基替换结构数据库（英文）

15

作者 刘继龙 苗智超 +2 位作者 李雷 肖智雄 曹洋 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2016年第8期810-816,共7页

蛋白质残基替换是基因突变的产物之一,它可能改变蛋白质三维结构,对其生物学功能产生重大影响,因此研究蛋白质残基替换与结构改变的关系具有重要意义.随着实验解析蛋白质结构的数量迅猛增长,越来越多的野生型-突变体被应用于结构生物学... 蛋白质残基替换是基因突变的产物之一,它可能改变蛋白质三维结构,对其生物学功能产生重大影响,因此研究蛋白质残基替换与结构改变的关系具有重要意义.随着实验解析蛋白质结构的数量迅猛增长,越来越多的野生型-突变体被应用于结构生物学的比较研究中.本研究从蛋白质三维结构数据库(PDB)出发,收集和计算了大量结构特征数据,构建了一个目前已知最大的野生型-突变体(单残基差异)的结构对数据库DRSP,展示出氨基酸类型和主链偏好性对结构保守性的相关性.DRSP的开放使用可为高精度的蛋白质结构分析预测提供有用信息,它的数据库网址是http://www.labshare.cn/drsp/index.php. 展开更多

关键词 数据库 蛋白质残基替换 主链柔性 蛋白质结构预测 蛋白质设计

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美制造出迄今最大人工蛋白质,为基因复制与聚合假说提供了新支持

16

《生物学教学》 2012年第6期M0003-M0003,共1页

据2011年11月17日《科技日报》援引美国物理学家组织网2011年11月15日报道，美国范德堡大学通过改进目前的蛋白质设计软件，设计并人工合成了迄今最大的蛋白质，打破了华盛顿大学2003年合成的最大蛋白质纪录。

关键词 蛋白质设计 人工合成 基因复制 《科技日报》 华盛顿大学 制造 假说 聚合

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真菌毒素降解酶及其结构和功能研究进展 被引量：3

17

作者 王凤华 牛锦璐 +3 位作者 邓俊劲 晏石娟 张军 吴绍文 《核农学报》 CAS 北大核心 2025年第1期140-156,共17页

真菌毒素作为真菌次级代谢产生的一类化合物,其化学结构稳定并可在食物链中积累,严重威胁人类和禽畜健康并造成重大经济损失。生物酶降解法因安全性高、环境友好等优点而在真菌毒素脱毒方面展现出极大的应用前景。本文系统总结黄曲霉毒... 真菌毒素作为真菌次级代谢产生的一类化合物,其化学结构稳定并可在食物链中积累,严重威胁人类和禽畜健康并造成重大经济损失。生物酶降解法因安全性高、环境友好等优点而在真菌毒素脱毒方面展现出极大的应用前景。本文系统总结黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、赭曲霉毒素和伏马菌素等常见真菌毒素降解酶的挖掘和功能分析,重点关注利用X射线晶体学等方法解析降解酶三维结构、揭示其催化机制的研究进展,并比较分析计算方法预测的结合口袋与试验确定的活性中心;阐述基于蛋白质结构的理性设计策略在真菌毒素降解酶改造中的应用,并讨论利用计算生物学方法预测蛋白质结构和功能、解析酶的作用机制并指导降解酶设计的潜力。本文可为解决食品和饲料中的真菌毒素污染问题提供新思路。 展开更多

关键词 真菌毒素 降解酶 结构 蛋白质设计

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基于人工智能和计算生物学的合成生物学元件设计 被引量：8

18

作者 王晟 王泽琛 +7 位作者 陈威华 陈珂 彭向达 欧发芬 郑良振 孙瑨原 沈涛 赵国屏 《合成生物学》 CSCD 2023年第3期422-443,共22页

合成生物学是按照一定的规律综合已有的信息设计和构建全新的生物元件、装置和系统,或者重新设计已有的天然生物系统。合成生物学的核心在于设计、改造、重建或制造生物元件、生物反应系统、代谢途径与过程,乃至创造具有生命活动能力的... 合成生物学是按照一定的规律综合已有的信息设计和构建全新的生物元件、装置和系统,或者重新设计已有的天然生物系统。合成生物学的核心在于设计、改造、重建或制造生物元件、生物反应系统、代谢途径与过程,乃至创造具有生命活动能力的细胞和生物个体,为解决人类发展在环境、资源、能源等方面面临的若干重大挑战提供新技术方案。毫无疑问,从DNA重组到基因电路设计,合成生物学的发展为众多领域带来全新的解决方案,优良的催化与调控元件是设计高效、鲁棒的系统的基础。然而,合成生物学的元件通常是天然的生物大分子,其固有的复杂性限制了对其工程化改造,导致合成生物技术的潜力未能得到充分发掘。随着人工智能(artificial intelligence,AI)与计算生物学的兴起和发展,有望助力该技术更好地发挥其价值。本文主要介绍了基于AI与计算生物学的不同类型的元件设计,聚焦催化元件、调控元件、传感元件三类元件的设计和前沿进展以及生物元件改造在合成生物学研究领域中的应用方面的研究进展。 展开更多

关键词 人工智能 合成生物学 计算生物学 蛋白质设计 生物序列

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“可折叠性”在酶智能设计改造中的应用研究--以AlphaFold2为例 被引量：1

19

作者 孟巧珍 郭菲 《合成生物学》 CSCD 2023年第3期571-589,共19页

天然酶具有绿色环保、高效催化的优点,但由于工业环境的酸碱性、温度等条件不够适宜,天然酶在实际工业生产中往往存在错误折叠、功能受限等问题。使用人工智能技术辅助酶的改造设计,相比传统方法具有高效、快速、低成本的优势,但在这个... 天然酶具有绿色环保、高效催化的优点,但由于工业环境的酸碱性、温度等条件不够适宜,天然酶在实际工业生产中往往存在错误折叠、功能受限等问题。使用人工智能技术辅助酶的改造设计,相比传统方法具有高效、快速、低成本的优势,但在这个过程中大部分工作没有考虑设计改造酶的“可折叠性”问题。同时,最近几年来,以AlphaFold2为代表的蛋白质结构预测工具借助人工智能技术取得了突破性的进展,已经具有原子级别的结构预测精度。这一工具的日益成熟,不仅有助于对蛋白结构功能机制的了解,同时可以丰富现有酶结构数据,用于后续的研究。因此,基于现有酶改造以及从头设计新酶过程中出现的错误折叠导致成功率不高、实验验证成本高的问题,我们认为结合蛋白质结构预测工具辅助酶的改造设计任务,可以增加设计可靠酶的数量,同时降低实验成本。本文首先梳理回顾人工智能技术在酶设计改造中的应用,主要从序列和结构两个角度展开。然后将现有蛋白质结构预测工具归纳成四种类型分别介绍其设计原理和预测能力。接着以AlphaFold2为代表性工作,归纳了三种在现有技术基础上利用结构预测工具进一步提高酶改造的合理性以及酶设计的“可折叠性”的方式:①结构“分析器”;②突变“筛选器”;③折叠“监督器”。最后在讨论部分总结并提出了一些现有算法的不足和缺陷。随着人工智能技术的逐渐发展以及人类对蛋白质作用机理的研究,酶的改造设计精度一定会有所提高,这将助力合成生物学的快速发展。 展开更多

关键词 人工智能 合成生物学 蛋白质设计 蛋白质结构预测 可折叠

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分析用酶的分子操纵 被引量：2

20

作者 张先恩 《食品与生物技术学报》 CAS CSCD 1999年第5期118-121,共4页

阐述了蛋白质工程设计的实验原理、技术及应用研究。

关键词 蛋白质工程设计 原理 技术 应用研究

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