AI尋肽

文/朱澤洋 薛勇(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)）

我們每天的飲食中，必不可少要攝入蛋白質(zhì)，但實(shí)際上，很多蛋白質(zhì)不能很好地被人體消化、吸收、利用，而蛋白質(zhì)水解后的小分子活性肽卻能很好地改善這一點(diǎn)。

小分子活性肽是蛋白質(zhì)的一種水解產(chǎn)物，是氨基酸以肽鍵連接在一起而形成的化合物，我們可以把它理解為介于蛋白質(zhì)和氨基酸之間大小的一種物質(zhì)，具有易被人體吸收的特點(diǎn)。同時(shí)，小分子活性肽還可能具有某種特異功能，比如降壓、降糖、抗炎等。有研究文章表明，目前在小麥、大米、大豆、大蒜、紫菜等植物性食物中均發(fā)現(xiàn)活性肽，越來(lái)越多的活性肽被證實(shí)具有體內(nèi)外降壓作用。

那么，如何才能得到小分子活性肽呢？這一課題正好出現(xiàn)在我們擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

我們是一支試圖在食品專業(yè)與人工智能的交叉領(lǐng)域探尋機(jī)遇的團(tuán)隊(duì)，結(jié)合團(tuán)隊(duì)老師自身的研究背景和我們的興趣方向，一個(gè)想法進(jìn)入了視野——設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款人工智能產(chǎn)品，利用AI來(lái)尋找、發(fā)現(xiàn)、篩選蛋白質(zhì)水解后的小分子活性肽。

“據(jù)我所知，位于愛(ài)爾蘭的一家名叫“Nuritas”的公司率先使用AI對(duì)小分子肽進(jìn)行過(guò)發(fā)現(xiàn)和篩選，目前已經(jīng)成功地發(fā)現(xiàn)和篩選出了多種小分子活性肽，這些肽產(chǎn)品在北美的銷售額非常高?！?/p>

“不如我們將研究對(duì)象聚焦在一些可食用的農(nóng)產(chǎn)品及其廢料上，如果我們能夠在一些廢棄的、價(jià)值較低的農(nóng)產(chǎn)品中提煉出價(jià)值幾倍甚至幾十倍于廢棄農(nóng)產(chǎn)品的肽，那不僅能促進(jìn)對(duì)小分子肽的利用，興許還能建立一條產(chǎn)業(yè)鏈！”

經(jīng)過(guò)不斷討論、打磨方案，我們正式著手讓AI去尋肽。

在人類食物發(fā)展史上占有重要地位的大豆再次成了我們的實(shí)驗(yàn)原料。通過(guò)閱讀大量資料，我們了解到大豆中可能含有的某種小分子活性肽，具有降壓功效，于是打算利用AI去發(fā)現(xiàn)和篩選出大豆中的肽。

這個(gè)過(guò)程中，AI其實(shí)就是我們的工具，它好比Excel表格中“篩選”和“查找”功能的結(jié)合，而食物中含有的肽則像是待被這一功能檢索的Excel表中的數(shù)據(jù)。我們對(duì)AI下達(dá)篩選某種小分子活性肽的指令，AI就會(huì)根據(jù)指令快速、精準(zhǔn)、高效地發(fā)現(xiàn)、篩選出食物中存在的，可能具有我們需要的某種目標(biāo)功能的肽。

找到某種肽只是第一步，接下來(lái)，我們還要得到它，也就是將其制備出來(lái)。此時(shí)，AI的使命并未結(jié)束，要制備出小分子活性肽，我們還需要用到一種特殊的剪刀——水解酶。但是不同的小分子活性肽所需要的水解酶“剪刀”型號(hào)不同，某一特定型號(hào)的“剪刀”又需要在特定的環(huán)境，也就是相應(yīng)的水解工藝中才能發(fā)揮作用。于是，選擇合用的水解酶“剪刀”以及水解工藝的重任就又落到了AI頭上，精準(zhǔn)選定用什么樣的“剪刀”在什么樣的條件下完成剪切的任務(wù)對(duì)AI來(lái)說(shuō)同樣不在話下。

獲得了小分子活性肽原料后，就要深入了解這種肽究竟是否具備我們期望得到的功能了，通過(guò)體內(nèi)外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)酥僚R床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)大豆中的這種肽確實(shí)存在良好的降壓功效，對(duì)高血壓人群具有輔助治療和預(yù)防的效果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴我們，大豆中含有這種具有降壓功能的小分子活性肽，但為什么人們食用大豆由來(lái)已久，卻并未感覺(jué)到它的降壓功效呢？這主要是由于大豆中這種小分子活性肽的含量不夠豐富，而讓高血壓人群為了降血壓攝入大量大豆是根本不現(xiàn)實(shí)的。那么，我們就可以運(yùn)用技術(shù)以大豆為原料進(jìn)行提取，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，量產(chǎn)后的肽產(chǎn)品可以加入到功能食品或保健品中，為高血壓患者帶來(lái)福音。

這就是一種新型的小分子活性肽基本的研發(fā)過(guò)程了，在AI介入之前，這些工作都靠人工在實(shí)驗(yàn)室里一點(diǎn)點(diǎn)推進(jìn)，無(wú)頭緒，無(wú)方向的探索通常會(huì)耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，效率很低。有了AI就不同了，它能夠朝著目標(biāo)方向定向前進(jìn)，一種新型的小分子活性肽的研發(fā)時(shí)間由原來(lái)的3～5年縮短到現(xiàn)在的2～10個(gè)月，這也加快了肽類產(chǎn)品的升級(jí)迭代。

當(dāng)然，為了教會(huì)AI尋肽，需要做大量的準(zhǔn)備工作，我們構(gòu)建起了一個(gè)集成目前主流功能小分子活性肽數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)前，我們對(duì)各大功能肽類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了搜尋、查閱、對(duì)比，最后選定了目前幾大主流的功能小分子活性肽數(shù)據(jù)庫(kù)，利用相關(guān)軟件將各類數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，最終完成構(gòu)建。我們建成的數(shù)據(jù)庫(kù)幾乎囊括了近15年來(lái)已報(bào)道的所有功能活性肽，功能活性肽種類大于20種，容量大于10萬(wàn)級(jí)，是已知國(guó)內(nèi)相對(duì)完善的小分子活性肽數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠滿足功能肽在多種場(chǎng)景中的篩選與應(yīng)用，從而為產(chǎn)品迭代提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)備和篩選依據(jù)。這就像是一本翔實(shí)的“肽字典”，如果我們?cè)谀撤N食物中發(fā)現(xiàn)以某一種氨基酸排列順序的肽我們不認(rèn)識(shí)，那就可以結(jié)合它的特征，放到數(shù)據(jù)庫(kù)中去驗(yàn)證，便可發(fā)現(xiàn)它具有某一種功能和其他有用信息。在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的編程和程序調(diào)試工作后，AI便正式上崗了。

在AI的協(xié)助下，具有降壓、降糖、抗炎、抗衰老功能的肽陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，我們的工作也在持續(xù)推進(jìn)，預(yù)計(jì)后續(xù)會(huì)發(fā)現(xiàn)更多功能小分子活性肽，這些肽可以加入到市場(chǎng)中的各類保健品、化妝品、食品飲料中，豐富消費(fèi)市場(chǎng)，讓消費(fèi)者的選擇多樣化。目前，我們將利用獨(dú)有技術(shù)篩選發(fā)現(xiàn)的小分子活性肽委托給代工廠進(jìn)行量產(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)得到了市場(chǎng)的初步認(rèn)可，如果后續(xù)順利的話，我們會(huì)考慮建廠，做成一條自己的產(chǎn)業(yè)鏈。