Biotech-透過AI,蛋白質摺疊與分子交互作用的複雜問題將有機會獲得突破性進展

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Biotech-透過AI,蛋白質摺疊與分子交互作用的複雜問題將有機會獲得突破性進展

TAcc+新創分析師 賴岳炫

 

mRNA疫苗在COVID-19疫情一戰成名,mRNA技術取得突破性進展;加上AI與量子電腦應用逐步實踐,在健康醫療領域,蛋白質摺疊問題與複雜分子交互作用,有機會獲得突破性進展。

 

  • COVID-19帶來全球第一個mRNA疫苗上市,mRNA療法隨之升溫 — mRNA (messenger RNA)是傳遞DNA訊息的重要角色,經由核糖體與tRNA (transfer RNA)轉譯為蛋白質後發揮作用。mRNA療法是轉譯為蛋白質後,取代基因疾病引起有缺陷的蛋白質,或是刺激人體免疫系統對抗癌細胞與被感染的細胞。目前上市的疫苗則是藉由模擬特定蛋白質引發人體自然的免疫反應,促使人體免疫系統擊退該特定蛋白質之相關疾病。

mRNA技術優勢在於透過病毒基因蛋白序列可快速製造,藉由病毒蛋白刺激人體免疫系統達到預防或治療的效果,例如COVID-19疫苗是以冠狀病毒刺突蛋白為標靶,誘發免疫反應。由於mRNA分子的特性,需要奈米粒子作為載體,類似膠囊的方式載送RNA,避免進入細胞膜前被破壞。另外製劑易受溫度影響而降解,維持mRNA的穩定性還要符合高規格冷鏈物流,像是Pfizer/BioNTech疫苗需保持攝氏-70度,Moderna疫苗則要維持-20度,以防止mRNA變質。

 

mRNA疫苗與療法的市場預期到2025年達60億美元,包括Johnson & Johnson、AstraZeneca、GlaxoSmithKline, 與 Merck & Co.等全球大藥廠亦投入新一代治療技術的開發。目前有520件以上mRNA相關的臨床試驗正在進行,涵蓋超過20類疾病。BioNTech正在開發治療胰腺癌、乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤、卵巢癌、頭頸癌與其他癌症的mRNA候選藥物。Moderna後續也將開發流感、HIV、腦炎病毒等mRNA疫苗;而這些發展將因COVID-19的疫情而明顯地加快進展。

 

  • mRNA當準星,「吸入式」CRISPR基因編輯將能治療COVID-19及流感 — Georgia Tech與Emory University研究團隊利用mRNA技術,加以編輯、傳遞Cas13a蛋白質,透過噴霧吸入的方式進入肺部,破壞病毒複製功能的RNA基因編碼。目前已在老鼠實驗獲得證實,且在動物實驗中未發現任何副作用,未來將朝向人體試驗發展。

 

  • 蛋白質摺疊難題有解,加速破解病原體特徵 — Google DeepMind的AlphaGo制霸圍棋界後,已成退休狀態,換上AlphaFold挑戰蛋白質摺疊 (Protein folding)的百年難題。過去AI計算皆未能達到有效估算蛋白質摺疊的結構,直到AlphaFold在CASP14 (Critical Assessment of protein Structure Prediction)蛋白質結構預測獲得突破性的92.4高分。新創公司ProteinQure則應用量子電腦技術,分析蛋白質摺疊結構,與計算藥物結構設計,並與藥廠AstraZeneca合作。

預測蛋白質摺疊為什麼這麼困難?每兩個胺基酸分子可以形成兩個鍵結且有不同角度,愈大的蛋白質幾何結構組合的可能性以指數增加,大到以今日電腦能力無法用排列組合的方式計算(未來量子電腦可能有機會)。預測蛋白質結構是透過基因組資料庫學習、胺基酸資料標記、序列匹配、嵌入、巨集等AI演算,類似於自然語言處理(NLP)的深度學習,透過大量文本、標記分類詞彙、上下文序列匹配、判斷語意相似性等,例如NLP的自我監督學習、卷積神經網路學習(CNN)。

 

蛋白質的胺基酸鏈摺疊成特定3D結構,決定蛋白質的功能,透過了解蛋白質的摺疊結構,可以了解其在體內的作用,更有效地診斷及治療蛋白質錯誤摺疊引起的疾病,以及開發蛋白質相關的治療。例如,免疫系統的抗體蛋白、CRISPR Cas9蛋白、蛋白質摺疊的疾病(像是阿茲海默症、帕金森氏症、亨丁頓舞蹈症等)。

 

參考資料:

  • “DeepMind AI solves 50-year protein folding problem in stunning advance,” NEW ATLAS, 2020.
  • “Explained: Why RNA vaccines for Covid-19 raced to the front of the pack,” MIT NEWS, 2020.
  • “Game Changers 2021,” CBINSIGHTS, 2021.
  • “How Quantum Computing Will Transform These 9 Industries,” CBINSIGHTS, 2021.
  • “Innovative New mRNA Treatment Shows Promise for Stopping Both Flu and COVID-19 Viruses,” scitechdaily, 2021.
  • “It will change everything: DeepMind’s AI makes gigantic leap in solving protein structures,” nature, 2020.