【AI100问(149)】AlphaFold3真的那么神奇吗？
文摘
科学
2024-06-17 13:00
北京
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2024年5月8日，DeepMind公司在《自然》杂志发表文章[1]，报告了一款称为AlphaFold3的AI工具，引起轰动。
AlphaFold3是它的前辈AlphaFold2的升级版本。AlphaFold2的功能是预测蛋白质的空间结构，从而理解蛋白质的功能。目前，OpenAI用AlphaFold2已经预测了2亿种蛋白质的结构，几乎囊括了人类已知的所有蛋白质[2,3]。
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图1：AlphaFold2预测了几乎所有已知蛋白质的结构，构造了蛋白质宇宙[2]
AlphaFold3在此基础上更进了一步，不仅可以预测蛋白质、核酸等生物分子的空间结构，还可以预测它们之间相互作用的结果，比如蛋白质和核酸如何结合，药物分子和离子如何作用于蛋白质等等。这非常了不起。首先，我们的生命活动本质上是蛋白质、核酸、离子等相互作用的过程，如果理解了这些过程，相当于理解了生命的秘密。其次，很多疾病都是因为上述过程出现故障导致的，要治疗这些疾病，也需要查找是哪里出了问题，从而设计针对性的治疗方法。
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在AlphaFold3之前，研究和确认生物分子的作用过程需要大量生化实验，一件事儿就可能耗费一个科学家一生的精力，不仅效率低，而且容易出错。AlphaFold3出现以后，人们只需要坐在电脑前，把蛋白质或核酸等作用成分的分子式送给AlphaFold3，然后泡杯茶，静静等待结果就好了。
从技术层面看，AlphaFold3主要利用了两种神经网络结构：一种称为PairFormer，目的是从输入数据中提取作用成分之间的相关性信息；另一种称为扩散模型（Diffusion Model），基于提取到的相关信息迭代式地预测出作用结果。这有点儿像OpenAI的DALL-E图像生成方法，开始是一堆散乱的点，渐进式地生成一幅高清图像。
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图3：生物信息学和计算生物学的系统架构图
AlphaFold3为加速开发新药开辟了一条“高速公路”，可以极大缩短新药的研发周期。不仅如此，研究者正在利用AlphaFold做更多事情，比如寻找可以快速降解塑料的酶[4]，解决抗生素耐药性[5]等。可以预期，随着人工智能技术在生物医学领域的广泛应用，很多疑难杂症将迎刃而解，人类的生活质量将实现一个新的飞跃。
[1]Abramson, J., Adler, J., Dunger, J. et al. Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07487-w[2] AlphaFold reveals the structure of the protein universe, OpenAI blog, https://deepmind.google/discover/blog/alphafold-reveals-the-structure-of-the-protein-universe/?_gl=1*1a8kxqj*_up*MQ..*_ga*NjI5MjAyOTY0LjE3MTc2NDMyODY.*_ga_LS8HVHCNQ0*MTcxNzY0MzI4Ni4xLjAuMTcxNzY0MzI4Ni4wLjAuMA..[3] Jumper, J., Evans, R., Pritzel, A. et al. Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature 596, 583–589 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2[4] Creating plastic-eating enzymes that could save us from pollution, https://deepmind.google/discover/blog/creating-plastic-eating-enzymes-that-could-save-us-from-pollution/?_gl=1*5k7e0o*_up*MQ..*_ga*MTEwODc0MjU2NS4xNzE3NjUwNDgw*_ga_LS8HVHCNQ0*MTcxNzY1MDQ3OS4xLjAuMTcxNzY1MDQ3OS4wLjAuMA..[5] Accelerating the race against antibiotic resistance, https://deepmind.google/discover/blog/accelerating-the-race-against-antibiotic-resistance/?_gl=1*7zu0z7*_up*MQ..*_ga*MTEwODc0MjU2NS4xNzE3NjUwNDgw*_ga_LS8HVHCNQ0*MTcxNzY1MDQ3OS4xLjAuMTcxNzY1MDQ3OS4wLjAuMA..扫码关注AI光影社，学习更多人工智能知识，并可预约《图解人工智能》签名版。
