序列百度推出LinearDesign，全球首个mRNA疫苗不稳定性解决方案，仅需16分钟
十三 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
新冠疫情全球流行 ， 疫苗研制成为当务之急 。
mRNA作为一种全新的疫苗类型 ， 能够快速大规模生产 ，因此成为科学家们攻克的主阵地之一 。
新冠疫情爆发后 ， RNA设计领域世界知名专家、斯坦福大学生物化学系Rhiju Das教授关注到疫苗研发存在的一个非常棘手的问题：
找到一个既具有稳定二级结构 ， 而且还有效的mRNA疫苗 。
有多难？
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首先是稳定性 ， mRNA疫苗“脆弱”到在保存、运输过程中 ， 就有可能因为降解而失效 。
然后是有效性 ， 需要找一个mRNA序列 ， 能够翻译成特定的蛋白质(抗原) 。
单是满足这两个条件 ， 若是采用遍历的方式去寻找 ， 那就需要查看10632个mRNA序列！
这是什么概念？用一台超级计算机来处理 ， 即便一秒钟能计算一个新冠RNA序列的二级结构 ， 哪怕是从宇宙诞生到现在(130-140亿年) ， 连“潜在”mRNA序列的亿万分之一都没算到 。
仅靠科研人员的力量是远远不够的 ， 那就“全民参赛”吧！
于是乎 ， Rhiju Das教授便找到了百度 ， 使用百度此前开源的LinearFold算法 ， 搭建一个疫苗设计公开赛 ， 让全民参与进来 ， 以游戏的形式 ， 边玩边找这个mRNA 。 
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但正如刚才提到的 ， 搜索空间是异常庞大 ， 难道就没有办法在相对节省人力的情况下 ， 就能够设计出满足条件的mRNA疫苗序列呢？
这个可以有 。
现在 ， (可能)“拯救世界”的新算法 ， LinearDesign ， 来了！
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LinearDesign：最快16分钟完成mRNA疫苗序列设计
其实 ， 回顾近二十年的历史 ， 随着全球化和城市化的深入发展 ， 全球疫情爆发周期越来越短——从2002年的SARS ， 到2012的MERS ， 再到现如今的新冠病毒 。
面对一次又一次的冠状病毒的侵袭 ， 快速研制出特定疫苗成为了解决问题的一种途径 。
那么 ， 在mRNA疫苗如此庞大的搜索空间面前 ， LinearDesign又能起到什么作用？
针对新冠病毒的mRNA疫苗序列 ， 通常是以自然界存在的新冠刺突蛋白对应的mRNA段为基础 ， 经过一些改动后作为备选序列 。
但是这样的序列其二级结构通常是不够稳定的 。 如下图(A)展示的是新冠病毒刺突蛋白对应的mRNA二级结构 ， 其能量为-967.8 kcal/mol 。 
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△图A
这一能量衡量了mRNA二级结构的稳定性 ， 能量越低（越负）表明越稳定 。
mRNA由多个核苷酸（共四种 ， 分别是A、U、C、G）串联而成 ， 蛋白质由多个氨基酸（共21种）串联而成 。 每三个核苷酸（称为一个密码子）翻译成一个蛋白质 。 显而易见 ， 三个核苷酸共有4的三次方共64种组合 ， 那么必然有多个密码子对应一个氨基酸 ， 也就是说有很多mRNA序列都可以翻译成同一个蛋白质（抗原）序列 。 具体来说 ， 新冠病毒刺突蛋白（抗原）共有1273个氨基酸 ， 能翻译成刺突蛋白的mRNA序列有10的632次方之多 。 如下图所示：
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在保持翻译成的蛋白质不变的前提下 ， 还可以选择其他的序列作为mRNA疫苗序列 。 下图(B)展示了从1万个随机序列中选取的能量最低的序列 ， 能量为-1149.8 kcal/mol 。 
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△图B
这一序列能量比Wildtype低一些 ， 但是也并不是能量最低的序列 。
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