人工智能有助于阐明新型光传感器的结构

法兰克福。在堆肥堆中，线虫秀丽隐杆线虫发现了一张丰富的桌子：长度只有一毫米，蠕虫以分解有机物质的细菌为食。动物必须避免阳光照射，这不仅仅是为了确保其身体保持在最佳温度并且不会干燥。富含能量的蓝光和紫外线会对透明蠕虫的细胞造成巨大损害，导致遗传分子DNA突变，或导致形成活性氧，例如过氧化氢(H 2 O 2 )。例如，后者可以阻止蛋白质的正确产生并导致细胞死亡。实验室观察表明，秀丽隐杆线虫反射性地从光束中退出。

线虫没有眼睛，但它的一些感觉神经元含有蛋白质 LITE-1，它以迄今为止未知的方式将光感觉转化为生化信号，最终触发撤退反射。由法兰克福歌德大学Alexander Gottschalk教授、马克斯普朗克生物物理研究所和歌德大学的Gerhard Hummer教授以及Flatiron研究所的Sonya Hanson博士领导的一组科学家现已阐明了LITE-1的结构和功能。为此，他们使用了“AlphaFold2-Multimer”软件，这是一种人工智能，能够根据氨基酸构建模块的序列预测蛋白质和蛋白质复合物的结构。他们的发现：LITE-1 是一种所谓的通道蛋白，

“人工智能运行得非常好，并为 LITE-1 提出了一个合理的结构，”Alexander Gottschalk 说。“在随后的基因实验中，我们继续检查基于这种结构的预测是否也可以在活线虫及其对光的反应中得到验证。” 为此，研究人员特意突变了 LITE-1 中的单个氨基酸，并观察了其对光诱发行为的影响。他们发现，除其他外，形成通道的氨基酸的替换导致 LITE-1 功能完全丧失。其他突变实验揭示了该蛋白质可以与 H 2 O 2相互作用的位点，并且还发现了一个似乎负责吸收紫外线产生的能量的中心氨基酸。

Gerhard Hummer 解释道：“LITE-1 似乎包含一个完整的氨基酸网络，像天线一样排列，以捕获紫外光子的能量并将其传递到蛋白质的中心位置。这里有一个空腔”反过来，它可以作为发色团的结合口袋——即可以吸收光子或其能量的分子。” 研究人员的模型假设，这种迄今未知的发色团还受到蓝光的直接刺激，然后将所有能量转移到 LITE-1 蛋白，导致离子通道打开和离子流入细胞。较高的离子浓度成为生化电信号的起点，最终触发反冲反射。

Alexander Gottschalk 补充道，细胞中是否存在光照射诱导的H 2 O 2显然也发挥着重要作用：“H 2 O 2对 LITE-1 的额外激活确保了弱光不会触发反冲反射，只能通过非常强烈的、会损伤组织的光线，例如直射阳光。”

LITE-1 构成了一种非常简单的光感知形式。Gottschalk说，与昆虫嗅觉受体的比较表明，LITE-1源自这种嗅觉受体，它可能巧合地结合了一种也能吸收光的分子，从而向动物传递有害光的警告信号。

Gottschalk 强调了这种受体对于光遗传学研究领域的重要性，该研究是在第一个光依赖性离子通道(称为“通道视紫红质”)的发现和规范后在法兰克福共同创立的。光遗传学领域提供了使用细胞中的光控开关来研究细胞功能的可能性。“LITE-1 和我们分析的类似蛋白质都可以用作新的光遗传学工具，使我们能够将光谱扩展到紫外线范围。” 计算生物物理学家索尼娅·汉森(Sonya Hanson)看到了研究方法的未来巨大潜力：“我们使用的人工智能现在非常好，无需费力的生化工作，我们仍然可以了解特定蛋白质的工作原理。”

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