對于我們?nèi)祟惗?，健康的大腦處理身體運動的所有微小細節(jié)，而不需要有意識的關注。對于無腦機器人來說并非如此 - 事實上，計算機器人運動是其自身的科學子領域。

我在華盛頓大學蛋白質設計研究所的同事已經(jīng)找到了如何應用最初設計的算法，以幫助機器人轉向完全不同的問題：藥物發(fā)現(xiàn)。該算法幫助解鎖了一類稱為肽大環(huán)化合物的分子，這些分子具有吸引人的藥物特性。

一小步，一個巨大的飛躍

編程運動的機器人專家將其設想為他們所謂的“自由度”。例如，拿一個金屬臂。肘部，腕部和關節(jié)是可移動的，因此包含自由度。每個手指的前臂，上臂和各個部分都沒有。如果你想編程一個android來伸出并抓住一個物體或采取一個計算步驟，你需要知道它的自由度是什么以及如何操縱它們。

肢體的自由度越大，其潛在運動就越復雜。即使是簡單的機器人肢體所需的數(shù)學計算也是令人驚訝的深奧 ; 該領域的父親費迪南德·弗羅伊登斯坦(Ferdinand Freudenstein)曾經(jīng)將一個肢體運動的計算稱為“ 珠穆朗瑪峰的運動學”。

Freudenstein 在20世紀50年代計算機時代的黎明時期開發(fā)了他的運動學方程。從那時起，機器人專家越來越依賴算法來解決這些復雜的運動學難題。特別是一種算法 - 被稱為“廣義運動閉合” - 擊敗了七個關節(jié)問題，允許機器人專家將精細控制編程到機械手中。

分子生物學家注意到了。

活細胞內(nèi)的許多分子可以被認為是具有樞軸點或自由度的鏈，類似于微小的機器人手臂。這些分子根據(jù)化學定律彎曲和扭曲。肽及其細長的表親，蛋白質通常必須采用精確的三維形狀才能發(fā)揮作用。準確預測肽和蛋白質的復雜形狀，讓我這樣的科學家能夠理解它們的工作原理。

掌握大環(huán)

雖然大多數(shù)肽形成直鏈，但是稱為大環(huán)的子集形成環(huán)。這種形狀提供了獨特的藥理學優(yōu)勢。環(huán)狀結構比軟鏈更不靈活，使大環(huán)非常穩(wěn)定。并且因為它們?nèi)狈ψ杂啥?，所以它們可以抵抗體內(nèi)的快速降解 - 這是攝取肽的另一種常見命運。

天然大環(huán)化合物如環(huán)孢菌素是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最有效的治療劑。它們結合了小分子藥物(如阿司匹林)的穩(wěn)定性益處，以及大型抗體療法(如赫賽汀)的特異性。制藥行業(yè)的專家認為這類藥用化合物“ 具有吸引力，盡管未被充分認識” 。

“在大自然中存在著巨大的多樣性 - 在細菌，植物和一些哺乳動物中，” 科學新報告的主要作者Gaurav Bhardwaj說， “大自然已經(jīng)根據(jù)自己的特殊功能進化了它們。”的確，很多天然大環(huán)素是毒素。環(huán)孢菌素，例如，顯示抗真菌活性但也可作為作用在臨床免疫抑制劑強大使得它可用作類風濕性關節(jié)炎治療或防止移植器官排斥的。

生產(chǎn)新的大環(huán)化合物藥物的流行策略涉及將藥用有用的特征移植到其他安全和穩(wěn)定的天然大環(huán)骨架上。“當它工作時，它的效果非常好，但我們可以自信地使用的數(shù)量有限的結構良好的結構，”Bhardwaj說。換句話說，藥物設計師在制造新的大周期藥物時只能獲得一些起點。

為了創(chuàng)建更可靠的起點，他的團隊使用廣義運動閉合 - 機器人關節(jié)算法 - 來探索大循環(huán)可以采用的可能的構造或形狀。

適應性強的算法

與鍵一樣，宏周期的確切形狀也很重要。用正確的構造構建一個，你可以解開一個新的治療方法。

根據(jù)該報告的另一位主要作者維克拉姆·穆利根(Vikram Mulligan)的說法，對現(xiàn)實構造進行建模是“大周期設計中最難的部分之一”。但是由于機器人啟發(fā)算法的效率，該團隊能夠以“相對較低的計算成本”實現(xiàn)似乎合理的構造的“近似詳盡的采樣”。

事實上，這些計算非常有效，大部分工作都不需要超級計算機，分子工程領域通常也是這樣。相反，成千上萬屬于志愿者的智能手機聯(lián)網(wǎng)在一起形成一個分布式計算網(wǎng)格，科學計算以可管理的塊進行。

隨著最初的智能手機數(shù)字運算完成，該團隊對結果進行了仔細研究 - 收集了數(shù)百種前所未見的大環(huán)。當在實驗室中化學合成十幾種這樣的化合物時，顯示九種實際上采用預測的構象。換句話說，智能手機正在準確地渲染科學家現(xiàn)在可以優(yōu)化的分子，以發(fā)揮其作為靶向藥物的潛力。

該團隊估計，由于這項工作，可以自信地用作藥物設計起點的大環(huán)的數(shù)量從不到10個增加到200多個。許多新設計的大環(huán)化合物含有生物學中從未見過的化學特征。

迄今為止，大環(huán)肽藥物在對抗癌癥，心血管疾病，炎癥和感染方面顯示出前景。由于機器人技術的數(shù)學，一些智能手機和一些跨學科的思維，患者可能很快就會從這一有前景的分子中看到更多的好處。