MIT工程师依据运动而非仅依据形状设计蛋白质

# MIT工程师通过运动而不仅是形状来设计蛋白质 来源：https://news.mit.edu/2026/mit-engineers-design-proteins-by-motion-not-just-shape-0326 蛋白质远不止是我们追踪的营养成分。它们存在于我们身体的每一个细胞中，如同自然界的分子机器。它们通过行走、拉伸、弯曲和扭曲来完成工作——泵送血液、对抗疾病、构建组织，以及许多肉眼无法察觉的其他任务。它们的力量不仅来自形状，更来自运动方式。 近年来，人工智能让科学家能够设计出自然界中不存在的全新蛋白质结构，并针对特定功能进行定制，例如与病毒结合，或模仿丝绸的机械特性以制造可持续材料。但仅针对结构设计，就像制造汽车车身却无法控制发动机性能一样。蛋白质的微妙振动、位移和机械动力学与其形态同样关键。 如今，MIT工程师在弥合这一差距方面迈出了重要一步，他们开发了一种名为VibeGen的AI模型。如果说vibe coding让程序员描述需求后由AI生成软件，那么VibeGen对活体分子也是如此：指定"氛围"——即你想要的运动模式——模型就会写出蛋白质。 这一新模型让科学家能够针对蛋白质如何弯曲、振动以及在不同形状之间转换进行设计，从而响应环境变化，开辟了分子力学设计的新前沿。VibeGen建立在Buehler实验室（https://lamm.mit.edu/）在科学智能体AI方面的一系列进展之上——这类系统让多个AI模型自主协作，解决任何单一模型无法应对的复杂问题。 "生命在基础分子层面的本质不仅在于结构，更在于运动，"Markus Buehler说，他是土木与环境工程系及机械工程系的Jerry McAfee工程教授。"从蛋白质折叠到材料在应力下的变形，一切都遵循基本的物理定律。" Buehler与其前博士后Bo Ni认识到，他们所谓的"物理感知AI"存在关键需求：能够推理运动，而非仅仅分析分子结构快照的系统。"AI必须超越对静态形式的分析，理解结构和运动如何根本地交织在一起，"Buehler补充道。 这一新方法于3月24日发表在《Matter》期刊（https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(26)00069-X）的论文中进行了描述，使用生成式AI来创造具有定制动力学特性的蛋白质。 **训练AI思考运动** AI驱动的蛋白质科学革命，归根结底是一场结构革命。像AlphaFold这样的工具解决了预测蛋白质三维结构的数十年难题。现有的生成模型学会了从零开始设计新形状。但专注于折叠后的快照——即固定不动的蛋白质——该领域在很大程度上搁置了使蛋白质发挥作用的关键特性：它们的运动。"结构预测是如此宏大的挑战，以至于吸引了整个领域的注意力，"Buehler说，"但蛋白质的形状只是更长影片中的一帧，设计空间延伸至空间和时间，结构只是更广阔流形上的一个点。"科学家可以设计具有特定结构的蛋白质，但尚无法指定该蛋白质构建完成后如何运动、弯曲或振动。 VibeGen做到了以往任何蛋白质设计工具都未能做到的事。它颠覆了传统问题。不再问"这个序列会产生什么形状？"，而是问"什么序列能让蛋白质以这种方式运动？" 为构建VibeGen，Buehler和Ni转向了一类AI扩散模型，这种底层技术同样驱动着能够从纯噪声中创造逼真图像的AI图像生成器。在VibeGen中，模型从随机氨基酸序列开始，逐步精炼，直到收敛到一个预测能够以目标方式振动和弯曲的序列。 该系统通过两个协作代理来设计和相互挑战。"设计师"提出针对目标运动模式的候选序列，"预测器"评估这些候选序列，判断它们是否真的会按设计师意图的方式运动。两个模型像内部对话一样反复迭代，直到设计稳定为符合目标的方案。通过将这一振动指纹指定为设计输入，VibeGen颠覆了通常的逻辑：动力学成为蓝图，结构随之而生。 "这是一个协作系统，"Ni说，"设计师提出方案，预测器进行批判，设计在这种张力中不断完善。" VibeGen产生的大多数序列都是全新的，并非来自自然，也不是对进化已有产物的变体。为确认设计确实有效，团队进行了详细的基于物理的分子模拟，蛋白质的表现完全符合预期，以VibeGen目标设定的模式弯曲和振动。 该研究最引人注目的发现之一是，许多不同的蛋白质序列和折叠可以满足相同的振动目标——研究人员将这一特性称为功能简并性。在进化收敛于单一解决方案的地方，VibeGen揭示了整个替代家族：结构和序列不同但运动方式相同的蛋白质。"这表明自然只探索了可能性的一小部分，"Buehler说，"对于任何给定的动态行为，可能存在大量尚未开发的可行设计空间。" **分子工程的新前沿** 控制蛋白质动力学可能具有广泛的应用前景。在医学领域，能够按需改变形状的蛋白质潜力巨大。许多治疗性蛋白质通过与靶分子——病毒、癌细胞、失调受体——结合来发挥作用。它们的结合效果往往不仅取决于形状，还取决于其适应靶标的灵活程度。经过运动工程设计的蛋白质可以更精准地抓取，减少非预期相互作用，最终成为更安全、更有效的药物。 在材料科学领域——Buehler的研究领域之一——分子尺度的机械特性影响其性能。丝绸和胶原蛋白等生物材料从分子构件的协调运动中获得强度和韧性。设计更坚硬、更柔韧或以特定方式振动的蛋白质，可能带来新型可持续纤维、抗冲击材料，或石油基塑料的生物可降解替代品。 Buehler设想了更多可能性：用于建筑物或交通工具的结构材料，其中包含的蛋白质基组件能在机械应力后自我修复，或根据重载进行调整。 通过让研究人员将运动指定为直接设计参数，VibeGen将蛋白质视为可编程机械装置而非静态形状。这一进展融合了人工智能、医学、合成生物学和材料工程——迈向一个分子机器可以像桥梁、发动机或微芯片一样被精确、有意设计的未来。 "VibeGen能够探索未知领域，提出超越进化库藏的蛋白质设计，纯粹根据我们的规格定制。就像我们发明了一种新的创意引擎，按需设计分子机器，"Buehler补充道。 研究人员计划进一步完善模型并在实验室中验证他们的设计。他们还希望将运动感知设计与其他AI工具整合，构建能够设计不仅具有动态性、而且多功能的蛋白质的系统；能够感知环境、响应信号并实时适应的机器。 "vibe"一词源于振动，Buehler认为这种联系不仅仅是文字游戏。"我们已经把'vibe'变成了隐喻、一种感觉、某种主观的东西，"他说，"但对蛋白质而言，vibe就是物理。它是决定分子能做什么的实际运动模式，是生命本身的机制。" 该研究得到了美国农业部、MIT-IBM Watson AI实验室和MIT生成式AI计划的支持。