课题基金 / 基金详情

蛋白质紫外吸收光谱的机器学习模拟

批准号:
22103019
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张衿潇
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张衿潇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
蛋白质的结构决定其功能,因此“蛋白质结构测定”是现代科学的重要问题之一。通过发展快速响应的紫外吸收光谱技术,人们可以表征蛋白质的结构和动力学信息。然而蛋白质复杂多变的结构、实时动态的演化和环境涨落,使得蛋白质紫外吸收光谱的模拟存在巨大的计算瓶颈。申请人拟结合量子化学和机器学习方法,突破传统计算化学方法在蛋白质电子光谱领域的计算瓶颈问题,发展快速预测蛋白质紫外吸收光谱的方法。申请人首先通过分块方法将蛋白质拆分成肽键和氨基酸残基子片段,其次使用量子化学构建子片段具有化学精度的数据库并提取描述符,采用机器学习方法进行特征学习,继而基于激子哈密顿策略将子片段重新耦合,可以实现蛋白质紫外吸收光谱高效而准确地预测。新兴的人工智能技术与传统的量子化学方法的结合,可以充分利用新兴信息技术解决生命科学和生物化学的重大问题,谱写蛋白质光谱的崭新篇章。
英文摘要
"Protein structural determination" is considered as one of the most important issues in modern science because the functions of proteins are determined by their structures. We can characterize the structures and dynamics information of proteins by developing a real-time ultraviolet absorption spectroscopy technique. However, a huge computational bottleneck occurs when we calculate ultraviolet absorption spectroscopy for proteins due to their complex and flexible structures, real-time dynamic evolution and environmental fluctuations. This project will employ a combination of quantum chemistry and machine learning method to address the computational chemistry challenge of ultraviolet absorption spectra simulation in proteins domain and further develop an efficient way to calculate the molecular spectra of proteins. Proteins are firstly divided into peptides and amino acids residues fragments based on divided-and-conquer methods, and then a feature learning is carried out to establish structural-property relationship between molecular descriptors and the corresponding spectroscopy database calculated and extracted from quantum chemistry simulations of the divided fragments. Afterwards, the individual fragments can be recombined and coupled based on Frenkel exciton model to build the exciton Hamiltonian matrix for proteins and further generate an efficient and accurate framework for ultraviolet absorption spectroscopy simulations of proteins. We believe that our project can tackle some significant problems in life sciences and biochemistry by employing the novel strategy derived from the combination of emerging artificial intelligence technologies and traditional quantum chemistry methods, and further provide a potential method for the molecular spectroscopy simulation of proteins.
蛋白质的结构决定其功能,因此“蛋白质结构测定”是现代科学的重要问题之一。通过发展快速响应的紫外吸收光谱技术,人们可以表征蛋白质的结构和动力学信息。然而蛋白质复杂多变的结构、实时动态的演化和环境涨落,使得蛋白质紫外吸收光谱的模拟存在巨大的计算瓶颈。本项目结合量子化学和机器学习方法,突破传统计算化学方法在蛋白质电子光谱领域的计算瓶颈问题,发展了一种快速预测蛋白质紫外吸收光谱的方法。本项目首先基于分块思想将蛋白质拆分为肽键和氨基酸残基子片段,并利用量子化学方法构建具有高化学精度的结构–性质数据库。随后筛选优化具有化学内涵的分子描述符并结合合适的机器学习方法进行训练以获得最优预测模型,实现子片段性质的高效精准预测。在此基础上,本研究进一步结合蛋白质结构及机器学习预测的子片段性质构建蛋白质全体系的哈密顿量并对角化,实现了蛋白质一维紫外吸收(1DUV)光谱、圆二色(CD)光谱及二维紫外吸收(2DUV)光谱快速且较为准确的预测。研究结果表明,1DUV光谱可用于识别蛋白质的二级、四级结构及其组合特征,但在精细结构解析及动力学过程追踪方面存在一定局限性。CD光谱因其较高的结构敏感度,能够更清晰地区分不同蛋白质的二级和四级结构,还可用于追踪蛋白质折叠的动力学演化。然而,CD光谱在解析精细结构及复杂蛋白体系时仍存在一定局限,难以全面揭示蛋白质的动态演化过程。相比之下,2DUV光谱通过额外维度的展开有效分离了一维光谱中的重叠信号,并能够解析信号强度变化的次序,从而揭示跃迁之间的相关性及相互作用。凭借高分辨率的优势,2DUV光谱可清晰解析蛋白质的二级和四级结构特征,并能追踪蛋白质的突变、聚集及折叠等动力学演化过程。2DUV光谱为蛋白质结构变化的鉴定、潜在机制的解析和功能调控提供了强有力的工具,具有广阔的应用前景。
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