长期以来，化学家们一直梦想着全面了解和掌握生命的化学工具——蛋白质。

而现在，这个梦想已经触手可及。德米斯·哈萨比斯和约翰·江铂成功地利用人工智能预测了几乎所有已知蛋白质的结构。戴维·贝克学会了如何掌握生命的组成元素，并创造出了全新的蛋白质。他们的发现潜力巨大。

生命的化学是如何如此充满活力的

答案是——蛋白质的存在，蛋白质通常由 20 种氨基酸组成，这些氨基酸可以以无数种方式组合在一起。利用储存在 DNA 中的信息作为蓝图，氨基酸在我们的细胞中被连接成长长的链。

然后蛋白质的魔法就发生了：氨基酸链扭曲并折叠成独特的三维结构，这种结构有时是独一无二的。这种结构赋予了蛋白质功能。其中一些成为化学建筑材料，可以创建肌肉、角或羽毛，而另一些则可能成为激素或抗体。许多蛋白质形成酶，这些酶以惊人的精度驱动生命的化学反应。位于细胞表面的蛋白质也很重要，它们充当细胞与其周围环境之间的通信渠道。

生命的化学构建——这20种氨基酸——所蕴含的潜力之大，无论怎样强调都不为过。2024年诺贝尔化学奖就是要在一个全新的水平上理解和掌握它们。

一半奖项授予了德米斯·哈萨比斯和约翰·江铂，他们利用人工智能成功地解决了化学家们50多年来一直在努力解决的问题：从氨基酸序列预测蛋白质的三维结构。这使得他们能够预测几乎所有已知的2亿种蛋白质的结构。

另一半奖项授予了戴维·贝克。他开发了计算机化方法，实现了许多人认为不可能的事情：创造以前不存在的蛋白质，并且这些蛋白质在许多情况下具有全新的功能。

2024 年诺贝尔化学奖表彰的是两项不同的发现，但正如你将看到的，它们之间有着密切的联系。要了解今年的获奖者所克服的挑战，我们必须回顾一下现代生物化学的黎明时期。

自19世纪以来，化学家们就知道蛋白质对生命过程很重要，但直到 20 世纪 50 年代，化学工具才足够精确，研究人员才开始更详细地探索蛋白质。剑桥大学的研究人员 John Kendrew 和 Max Perutz 在 20 世纪 50 年代末取得了突破性发现，他们成功地使用了一种称为 X 射线晶体学的方法，展示了蛋白质的第一个三维模型。他们因这一发现获得了 1962 年诺贝尔化学奖。

随后，研究人员主要使用 X 射线晶体学（通常需要付出大量努力）成功绘制了约 20 万种不同蛋白质的图像，这为 2024 年诺贝尔化学奖奠定了基础。

一个谜题：蛋白质是如何找到其独特结构的

美国科学家 Christian Anfinsen 早在 1961 年就做出了另一项早期发现。他使用各种化学技巧，设法使现有蛋白质展开，然后又折叠起来。有趣的是，蛋白质每次都恢复到完全相同的形状。他得出结论，蛋白质的三维结构完全由蛋白质中的氨基酸序列决定。这使他获得了 1972 年诺贝尔化学奖。

然而，Christian Anfinsen 的逻辑中存在一个悖论，另一位美国人 Cyrus Levinthal 在 1969 年指出了这一点。他计算出，即使蛋白质只由 100 个氨基酸组成，理论上蛋白质也可以采取至少 1047 种不同的三维结构。如果氨基酸链随机折叠，那么找到正确的蛋白质结构需要比宇宙的年龄还要长的时间。而实际上，在细胞中，这个过程只需要几毫秒。那么氨基酸链实际上是如何折叠的呢？

这个悖论表明，蛋白质折叠是一个预先确定的过程。而且——重要的是——蛋白质折叠的所有信息都必须存在于氨基酸序列中。

迎接生物化学的巨大挑战

上述见解导致了另一个决定性的认识——如果化学家们知道蛋白质的氨基酸序列，他们应该能够预测蛋白质的三维结构。这是一个令人兴奋的想法。如果他们成功了，他们就不再需要使用繁琐的 X 射线晶体学，并可以节省大量时间。他们还将能够为所有无法使用 X 射线晶体学获得的蛋白质生成结构。