AI設計蛋白質不是科幻！打造新疫苗、抗熱作物到無過敏食品全靠它實現

整理＝編輯部

在自然界中，蛋白質無所不在，從構建細胞結構、執行化學反應，到傳遞訊號與調控免疫反應，蛋白質可說是生物體的「奈米級機器」。如今，科學家正結合人工智慧（簡稱AI）的力量，開啟蛋白質設計（protein design）的新時代，這項技術正迅速成為解決食品產業一系列根本性問題的關鍵工具。

從繁瑣實驗到精準預測蛋白質結構，AlphaFold登場

傳統上，科學家要了解蛋白質的形狀（即三維結構），必須透過繁瑣又昂貴的實驗，例如用X光或冷凍電子顯微鏡來觀察。但這些方法速度慢、成本高，無法快速應對上萬種蛋白質的研究需求。

直到2018年，由Google DeepMind開發的人工智慧系統AlphaFold登場，它能根據蛋白質的基本組成（胺基酸序列）預測出其立體結構，準確率達到約60%，已遠超過當時其他電腦模型。到了2020年，進化版AlphaFold2更將準確率提高到將近90%，幾乎與實驗結果一樣精準。

這項突破等於讓科學家可以「用AI算出蛋白質的形狀」，不再只能靠實驗一步步摸索，大大加快了藥物研發、疾病研究與蛋白質工程的速度，也讓人工智慧正式成為蛋白質研究中不可或缺的關鍵工具。

設計不只是預測的延伸，de novo蛋白質設計開啟革命

預測蛋白質的形狀只是第一步，真正困難的是「反過來設計」：也就是，如果我們希望有一種特定功能或形狀的蛋白質，要怎麼設計出對應的胺基酸組合，讓它能自然摺疊出我們要的樣子？這就像是想蓋一棟指定造型的建築，還要自己研發出能支撐它的全新建材。

這種「從零開始打造」的作法叫做de novo蛋白質設計。早在2003年，華盛頓大學的David Baker團隊就成功設計出一種名為Top7的人工蛋白，它完全不存在於自然界，卻能如預期一樣摺疊成功，展現功能，成為這領域的重要里程碑。

如今隨著AI技術進步，我們不只能從胺基酸預測蛋白質的形狀，也能從理想的形狀與功能反推出合適的胺基酸序列，等於設計與優化雙向並行，讓蛋白質設計更快、更準，也真正邁向實際應用的時代。

4大領域功能性蛋白質的革命應用！

1、從不分解到可降解，對抗PFAS的綠色解方

食品包裝、鍋具與農業常用的PFAS（Per and Polyfluoroalkyl Substances，稱為全氟/多氟烷基物質，亦稱永久化學物質）以其極高穩定性與耐熱性著稱，卻也因難以分解而造成環境與人體健康風險。來自華盛頓大學蛋白質設計研究所的Ian Haydon及其研究小組，正在利用AI設計出能辨識並切斷氟碳鍵結的蛋白質催化劑，有望加速PFAS分解，解決過去難以處理的化學污染問題。

2、打造耐熱抗病作物，對抗熱浪、乾旱與病害

面對極端氣候加劇，咖啡、可可等作物正受高溫與病毒侵襲所苦。Baker研究團隊與CRISPR技術開發者、加州大學柏克萊分校的Jennifer Doudna教授合作，透過蛋白質設計，能夠提升植物對熱與乾旱的耐受力，甚至讓原本在40度C會失效的蛋白質，在80度C高溫下仍能穩定運作。不僅如此，這些設計蛋白亦可用於增強植物對病毒與病原菌的防禦能力，為未來農業種植提供全新可能。

3、從腫瘤免疫到登革熱疫苗，健康醫療的新武器

蛋白質設計也正在重塑疫苗與藥物的開發模式。北卡羅來納大學的Kuhlman團隊設計出可特異性結合免疫抑制蛋白PD－L1的人工蛋白，在腫瘤中選擇性啟動免疫攻擊，降低副作用。而針對登革熱疫苗，也成功設計出可自我配對的病毒蛋白，有效誘導中和抗體，已進入動物試驗階段，預計未來可進入臨床應用。

4、終結過敏，PvP Biologics讓乳糜瀉患者重拾飲食自由

全球有超過2.2億人受食物過敏所困。由大學研究起家的新創公司 PvP Biologics（Protein versus Protein），原由華盛頓大學與聖路易斯華盛頓大學共同研發，設計出可在腸道中分解麩質的蛋白質膠囊，能幫助乳糜瀉患者安全攝取含麩質食品，目前被日本武田藥品（Takeda）所收購。

蛋白質設計開啟新紀元

AI驅動的蛋白質設計正讓人類踏入前所未有的創造時代。我們不再只是觀察自然，而是參與設計自然。從解決食品安全、氣候變遷、污染問題，到重塑醫療與農業，蛋白質設計不僅是科學的革新，更是人類與地球共存的新契機。

當未來的食物、藥物與環境解方都來自一串設計良好的胺基酸，這場結合自然智慧與AI智能的革命，才正要開始。

審稿編輯：林玉婷

延伸閱讀
▶食品史上的12月27日「蛋白質」命名者出生
▶MIT褪黑激素微針突破蔬果保鮮技術！青江菜冷藏可放25天不變黃
▶微生物也能在太空工作？MIT「宇宙味噌」成功發酵、開啟全新宇宙風味學！

參考資料
▶Food Navigator, How AI－powered protein design can solve food’s biggest problems
▶National Institutes of Health, Designing proteins