人工智能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、金融等領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用主要集中于醫(yī)學(xué)診斷的圖像識(shí)別，而將人工智能應(yīng)用于指導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)尚無相關(guān)研究和報(bào)導(dǎo)。2019 年 5 月 21 日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了華人科學(xué)家、瑞典卡羅琳斯卡醫(yī)學(xué)院助理教授李林鮮團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果，首次實(shí)現(xiàn)了將人工智能技術(shù)應(yīng)用于生物材料的設(shè)計(jì)中。

本項(xiàng)研究的文章通訊作者李林鮮教授在接受 DeepTech 采訪時(shí)表示，“傳統(tǒng)水凝膠的設(shè)計(jì)方法有限，效率低下，合成難度大，耗時(shí)長(zhǎng)。大多數(shù)報(bào)導(dǎo)均基于原有的已知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修飾，結(jié)構(gòu)差異性小，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能可調(diào)控范圍窄。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，可以很好地預(yù)測(cè)和指導(dǎo)具有不同機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)多樣的水凝膠的設(shè)計(jì)?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用組合化學(xué)技術(shù)快速創(chuàng)建了超過兩千種結(jié)構(gòu)差異的水凝膠文庫(kù)，通過計(jì)算這些化合物的上千種拓?fù)浜臀锢砘瘜W(xué)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)水凝膠的形成。研究人員實(shí)現(xiàn)了將凝膠的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特征與其自組裝行為聯(lián)系起來，加速了用于生物醫(yī)學(xué)用途的新型自組裝水凝膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。多肽自組裝水凝膠

多肽是氨基酸以肽鍵連接在一起而形成的化合物，而多肽分子又可以利用氫鍵、疏水性作用、 π-π 堆積作用等非共價(jià)鍵力，自組裝形成形態(tài)與結(jié)構(gòu)特異的多肽分子聚集體。由于多肽分子良好的生物相容性和可調(diào)控的降解性，自組裝多肽在組織工程、藥物緩釋等方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。 1993 年，麻省理工學(xué)院教授張曙光等發(fā)現(xiàn)一種可自組裝的離子互補(bǔ)型多肽，并用這種多肽合成了水凝膠膜，開啟了分子自組裝技術(shù)新領(lǐng)域。凝膠是指由化合物與溶劑組成的呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)立體結(jié)構(gòu)的體系，水凝膠是其中最常見也是最為重要的一種。絕大多數(shù)生物體內(nèi)存在的天然凝膠以及許多合成高分子凝膠均屬于水凝膠。

水凝膠通常是通過天然的高分子聚合物或者合成的聚合物分子制備，另外是使用合成的小分子化合物，通過超分子自組裝作用制備水凝膠。在合成的小分子凝膠中，基于多肽分子的水凝膠由于其固有的生物相容性和生物降解性顯得尤為重要。近年來，多肽水凝膠在藥物釋放、傷口愈合、細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域已經(jīng)顯示了巨大的應(yīng)用前景。自組裝多肽水凝膠不僅能夠構(gòu)建三維多孔納米支架，模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞生長(zhǎng)提供支持，而且自組裝多肽水凝膠本身由氨基酸序列組成，在此基礎(chǔ)上引入特定序列使其具備更多的特異性質(zhì)和功能，以滿足更廣泛的需求。水凝膠的研究引起了科研人員廣泛的興趣，然而研究人員發(fā)現(xiàn)水凝膠的設(shè)計(jì)并沒有規(guī)律可循。在已知的多肽水凝膠中，分子結(jié)構(gòu)具有多樣性，先前的設(shè)計(jì)規(guī)則很少，大多數(shù)是通過偶然發(fā)現(xiàn)或者對(duì)已知凝膠結(jié)構(gòu)的修飾上。因此極大限制了目前水凝膠領(lǐng)域的研究進(jìn)度。文章第一作者李飛博士在采訪時(shí)表示，“基于多肽的水凝膠設(shè)計(jì)策略具有重要意義，我們的目的是揭示分子結(jié)構(gòu)和水凝膠行為之間的關(guān)系，這可以幫助我們預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)具有新化學(xué)結(jié)構(gòu)的多肽水凝膠?！睓C(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)水凝膠的設(shè)計(jì)

在這項(xiàng)最新的研究中，研究人員一直在思考，如何才能找到一種合理的方法設(shè)計(jì)不同性能的水凝膠？最終，人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)及應(yīng)用，給了研究人員一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。深度學(xué)習(xí)或機(jī)器學(xué)習(xí)已成功應(yīng)用于具有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如病理圖像的診斷。然而，關(guān)于它們?cè)谟袡C(jī)材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用僅有少數(shù)報(bào)道，并且預(yù)測(cè)精度低于 50％ 。在能源領(lǐng)域報(bào)道了大多數(shù)使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的工作，但關(guān)于它們用于生物材料設(shè)計(jì)的報(bào)告非常有限。研究人員表示，他們的工作是第一次通過組合化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)水凝膠的自組裝行為。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，研究人員可以詳細(xì)研究所有設(shè)計(jì)化合物的結(jié)構(gòu)信息和凝膠性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)性，從而預(yù)測(cè)和指導(dǎo)水凝膠的設(shè)計(jì)與合成。

水凝膠示意圖具體而言，研究人員通過組合化學(xué)技術(shù)快速構(gòu)建了一個(gè)可能形成凝膠的化合物庫(kù)，該化合物庫(kù)中包含了 2304 個(gè)化合物。通過對(duì)化合物庫(kù)中的每個(gè)化合物用計(jì)算模擬軟件進(jìn)行分析，研究人員得到包括 2D 和 3D 結(jié)構(gòu)信息在內(nèi)的 3109 個(gè)物理化學(xué)參數(shù)，例如親疏水、芳香性質(zhì)等。整合 2304 個(gè)化合物的所有參數(shù)，研究人員得到了 7163136 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并進(jìn)一步通過學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與是否成凝膠的性質(zhì)，以及計(jì)算之間的相互關(guān)系，最終來預(yù)測(cè)未知水凝膠的形成，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)。重要的是，研究人員還證明了所設(shè)計(jì)的水凝膠支持培養(yǎng)中的細(xì)胞增殖，表明水凝膠的生物相容性。李林鮮同時(shí)表示，接下來研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)繼續(xù)開展通過人工智能做新材料的設(shè)計(jì)和藥物設(shè)計(jì)。