基于人工智能的设计方法合成模拟血浆的聚合物

地球上的大多数生命都是基于20种氨基酸的聚合物，这些氨基酸已经进化成数十万种不同的、高度专业化的蛋白质。它们催化反应，形成脊柱和肌肉，甚至产生运动。

但所有这些多样性都是必要的吗?生物学可以用更少的构建块和更简单的聚合物同样有效吗?

加州大学伯克利分校的聚合物科学家TingXu这样认为。她开发了一种方法，仅使用两种、四种或六种不同的构建块来模拟天然蛋白质的特定功能;目前用于塑料的那些-;并发现这些替代聚合物与真正的蛋白质一样有效，并且比试图复制大自然的设计更容易合成。

作为概念验证，她使用基于机器学习或人工智能的设计方法来合成模拟血浆的聚合物。人造生物液在不冷藏的情况下保持天然蛋白质生物标志物完好无损，甚至使天然蛋白质更耐高温——;比真正的血浆有所改进。

蛋白质替代品或随机杂聚物(RHP)可能会改变生物医学应用的游戏规则，因为当今的许多努力都在调整天然蛋白质以完成它们最初设计无法完成的事情，或试图重建3D天然蛋白质的结构。模拟天然人类蛋白质的小分子药物递送是一个热门研究领域。

相反，人工智能可以选择正确数量、类型和排列的塑料积木——;类似于牙科填充物中使用的那些，例如-;为了模拟蛋白质的所需功能，可以使用简单的聚合物化学来制造它。

例如，在血浆的情况下，人造聚合物被设计用来溶解和稳定血液中的天然蛋白质生物标志物。徐和她的团队还创造了一种合成聚合物的混合物来代替细胞的内脏，即所谓的胞质溶胶。在一个装满人造生物液体的试管中，细胞的纳米机器，即核糖体，继续泵出天然蛋白质，好像它们并不关心液体是天然的还是人造的。

基本上，所有数据都表明我们可以使用这种设计框架、这种理念来生成聚合物，使生物系统无法识别它是聚合物还是蛋白质。我们基本上愚弄了生物学。整个想法是，如果你真的设计它并将你的塑料作为生态系统的一部分注入，它们应该表现得像蛋白质。如果其他蛋白质就像，‘好吧，你是我们的一部分，’那没关系。”

TingXu，加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授

该设计框架还为设计混合生物系统打开了大门，在该系统中，塑料聚合物与天然蛋白质顺畅地相互作用，以改进光合作用等系统。并且可以使聚合物自然降解，使系统可回收和可持续发展。

“你开始考虑塑料的全新未来，而不是所有这些商品，”徐说，他也是劳伦斯伯克利国家实验室的一名教职科学家。

她和她的同事们在3月8日出版的《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

生物和非生物聚合物的完美结合

Xu将活组织视为蛋白质的复杂混合物，这些蛋白质进化为可以灵活地协同工作，与对蛋白质功能亚基(这些蛋白质相互作用的地方)相比，对每种蛋白质的实际氨基酸序列的关注较少。就像在锁和钥匙机制中一样，钥匙是铝的还是钢的都没有太大区别，因此功能子单元的实际组成不如它们的作用重要。

由于这些天然蛋白质混合物在数百万年的时间里随机进化，如果您使用正确的原则来设计和选择它们，应该可以随机创建具有不同字母表的类似混合物，从而减轻科学家重新创建的需要活组织中确切的蛋白质混合物。

“大自然并没有像我们在实验室那样做很多自下而上的、分子的、精确驱动的设计，”徐说。“大自然需要灵活性才能到达它所在的位置。大自然没有说，让我们研究这种病毒的结构并制造一种抗原来攻击它。它会表达一个抗原库，然后从那里选择一个有效的抗原。“

Xu说，可以利用这种随机性来设计与天然蛋白质混合良好的合成聚合物，从而比当今的目标技术更容易制造出具有生物相容性的塑料。

研究人员与加州大学伯克利分校教授应用统计学家HaiyanHuang合作，开发了深度学习方法，将天然蛋白质特性与塑料聚合物特性相匹配，从而设计出一种与天然蛋白质功能相似但不完全相同的人造聚合物。例如，在尝试设计一种稳定特定天然蛋白质的流体时，流体最重要的特性是聚合物亚基的电荷以及这些亚基是否喜欢与水相互作用——;也就是说，它们是亲水的还是疏水的。合成聚合物旨在匹配这些特性，但不匹配流体中天然蛋白质的其他特性。

Huang和研究生ShuniLi训练了深度学习技术-;经典人工智能(AI)的混合体，Huang称之为改进的变分自动编码器(VAE)-;在大约60,000种天然蛋白质的数据库中。这些蛋白质被分解成50个氨基酸的片段，并将这些片段的特性与仅由四个构建块组成的人造聚合物的特性进行比较。

根据徐志远实验室研究生阮志远的实验反馈，该团队能够化学合成一组随机聚合物RHP，在电荷和疏水性方面模仿天然蛋白质。

“我们观察大自然已经设计的序列空间，我们对其进行分析，我们让聚合物与自然界已经进化的相匹配，并且它们起作用了，”徐说。“你遵循蛋白质序列的程度决定了你获得的聚合物的性能。从已建立的系统中提取信息，例如天然存在的蛋白质，是使我们能够梳理出创建生物相容聚合物的正确标准的最简单捷径。”

加州大学伯克利分校分子和细胞生物学、化学和物理学教授CarlosBustamante实验室的同事进行了单分子光学镊子研究，并清楚地表明RHP可以模仿蛋白质的行为方式。

Xu、Huang和他们的同事现在正试图模仿其他蛋白质特性，以在塑料中重现天然氨基酸聚合物的许多其他功能。

“现在，我们的目标只是稳定蛋白质并模拟最基本的蛋白质功能，”黄说。“但随着RHP系统的更精细设计，我认为我们探索增强其他功能是很自然的。我们正在尝试研究哪些序列组成可以提供有关RHP可能携带的蛋白质功能或行为的信息。”

该设计平台为天然和合成聚合物的混合系统打开了大门，但也提出了更容易制造生物相容性材料的方法，从人工泪液或软骨到可用于输送药物的涂层。

“如果你想开发生物材料与你的身体相互作用，进行组织工程或药物输送，或者你想做支架涂层，你必须与生物系统相容，”徐说。“这篇论文告诉你的是：这是设计规则。这就是你应该如何与生物体液接触。”

她的最终目标是彻底重新思考目前生物材料的设计方式，因为目前的方法——;主要专注于模仿天然蛋白质的氨基酸结构-;不工作。

“几十年来，美国食品和药物管理局没有批准任何用于聚合物生物材料的新材料，我认为原因是很多合成聚合物并没有真正发挥作用——我们正在追求错误的方向，”她说。“我们不会让生物学告诉我们应该如何设计材料。我们正在研究个别途径、个别因素，而不是从整体上看。生物学真的很复杂，但它非常随机。你真的必须说出在处理材料时使用相同的语言。这就是我想与材料界分享的内容。”

该论文的其他合著者包括加州大学伯克利分校的研究生AlexandraGrigoropoulos、HaotianChen和IvanJayapurna;加州大学伯克利分校博士后研究员HosseinAmiri和TaoJiang;加州大学伯克利分校本科生顾昭仪;以及Xu在麻省理工学院的合作者AlfredoAlexander-Katz和ShaynaHilburg。

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