如果你喝啤酒,吃奶酪,或者享受一个好的酸面团,你可以感谢酶加快化学反应,使这些食物成为可能。但是,如果研究人员能在化学水平上准确地弄清楚这些复杂的分子在做什么,那么它们所能提供的不仅仅是一顿美餐。

“通过了解酶的工作原理,我们可以更好地理解一系列的事情,”美国东北大学化学和化学生物学教授彭妮·博宁(Penny Beuning)说。“这项非常基础的研究在人类健康或生物燃料等领域有着大量的应用。”

酶促进对生物生存至关重要的化学反应。更多地了解它们是如何执行这项任务的,可以揭示针对有害细菌的新方法,提高我们对自己身体的了解,还可以帮助研究人员设计出新的、更有效的酶,用于生产食品、清理环境污染或从可再生资源中制造燃料。

通过结合计算预测和实验测试,Beuning和她的同事们正试图使确定一种特定酶的功能变得更容易。最近,他们获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的资助,通过研究构成酶结构的单个氨基酸的作用,开发预测酶功能的新方法。

酶是由缠绕的氨基酸链组成的。研究人员利用这些氨基酸的位置和化学性质来预测不同酶的作用,然后在实验室里测试这些预测

氨基酸是一种像项链上的珠子一样串在一起的小化合物。这些长长的氨基酸链然后螺旋状折叠成缠结的蛋白质。(大多数酶是蛋白质。)各种氨基酸的化学性质,以及它们在三维结构中的位置,决定了一种酶是否会复制你的DNA来制造新的细胞,或者帮助你消化牛奶。

“你可能有看起来相似的蛋白质,但做不同的事情;你可以有看起来非常不同的蛋白质,但做同样的事情,”Beuning说。“这就是为什么研究哪些氨基酸在化学反应中起作用,以及它们在太空中的位置,是非常有价值的。”

研究人员不需要研究每一种氨基酸。他们只需要关注那些与酶的催化作用有关的氨基酸,加速化学反应。该项目的首席研究员Mary Jo Ondrechen已经开发出一种方法来预测哪些氨基酸参与了化学反应。

Heather Clark, who will direct the Systems Bioanalysis and Chemical Imaging Institute, works with students Sarah Beatty and Nicole Langlois in 140 The Fenway on Oct. 1, 2018. Photo by Matthew Modoono/Northeastern University

人体所做的一切都是由我们不完全了解的化学所引导的。然而。


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“我们可以计算氨基酸和蛋白质结构的化学和静电性质,”东北大学化学和化学生物学教授翁德雷亨(Ondrechen)说。“这告诉我们化学反应发生在哪里。”

合乎逻辑的下一步是尝试预测氨基酸的个体作用。如果Beuning和Ondrechen能够识别出氨基酸的排列方式来表明一种特定的功能,他们就可以利用这种化学指纹来找出其他酶的作用。

Ondrechen说:“即使它们看起来不像以前见过的任何’s,我们至少可以说出一些关于它们能做什么的东西,基于我们对单个氨基酸的识别规则。”“这是一个完全未知的领域。”

在东北大学电气和计算机工程学教授Deniz Erdogmus的帮助下,研究人员将使用机器学习算法来预测一种叫做糖苷水解酶的酶家族中特定氨基酸的作用,这种酶与糖相互作用。然后他们将在Beuning的实验室里进行实验来验证这些预测。

他们希望由此产生的算法能够识别多种酶的功能,为食品、健康、能源和其他行业的新研究和创新打开大门。

“人类的基因组数据集,以及现在成千上万的其他物种,是一个宝库,”Ondrechen说。“我们有很多东西要学,也有很多东西要从理解它中获得。”

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northeastern.edu/2019/08/20/northeastern-researchers-are-using-machine-learning-algorithms-to-predict-the-function-of-enzymes-from-their-amino-acids/