從中國科大獲悉，該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊教授與其合作者合作，通過(guò)利用人工智能機器學(xué)習中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，模擬了蛋白質(zhì)肽鍵結構與性質(zhì)之間的構效關(guān)系，大大降低了計算量，為預測蛋白質(zhì)的光學(xué)特性提供了一種高效的工具。相關(guān)成果日前發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》上。

蛋白質(zhì)的光譜響應信號，尤其是紫外光譜，可以稱(chēng)之為蛋白質(zhì)骨架的“指紋”。這個(gè)“光學(xué)指紋”，經(jīng)過(guò)理論模擬的解讀，可以揭示出精確的蛋白質(zhì)結構，為生命科學(xué)和醫學(xué)診斷提供極其重要的信息。

　　然而，蛋白質(zhì)的結構極其復雜多變，需要做大量的高精度的量子化學(xué)理論計算。由于計算量太大，即使是最厲害的超級計算機也“吃不消”。所以蛋白質(zhì)光譜的理論解讀是一個(gè)長(cháng)期的困難與挑戰，限制了光譜的準確分析和蛋白質(zhì)結構的發(fā)現。

　　研究人員首先在300K溫度下通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬以及量子化學(xué)計算，得到了五萬(wàn)組不同構型的肽鍵模型分子。通過(guò)機器學(xué)習算法篩選出鍵長(cháng)、鍵角，二面角跟電荷信息作為描述符，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)構建肽鍵基態(tài)結構與其激發(fā)態(tài)性質(zhì)之間的構效關(guān)系?；谟柧毢玫臋C器學(xué)習模型，預測出了肽鍵的基態(tài)偶極矩及激發(fā)態(tài)性質(zhì)，最后預測出肽鍵的紫外吸收光譜。為了驗證機器學(xué)習模型的魯棒性，研究人員又基于300K的溫度下得到的機器學(xué)習模型，預測出肽鍵在200K以及400K溫度下的紫外吸收光譜，其結果與時(shí)間密度泛函理論計算結果達到很好的吻合。

　　這是人工智能技術(shù)首次用于理論計算預測蛋白質(zhì)的光譜研究。通過(guò)理論計算得到大量數據，使用人工智能加以訓練后，確立了機器學(xué)習模擬蛋白質(zhì)肽鍵骨架紫外吸收光譜的可行性和優(yōu)勢，蛋白質(zhì)的“光學(xué)指紋”解讀也將會(huì )變得更加輕易和有效。