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2019-08-01醣類合成的魔術師—Auto-CHO系統 596 期

Author 作者 許聞廉/中研院資訊所的特聘研究員,研究領域為生物資訊,演算法及人工智慧。

 前言

「醣」是生物體中最重要的分子之一,從細胞的基本運作到癌細胞的增生,都與醣分子息息相關。然而,醣分子組成方式複雜且多元,9種單醣(monosaccharides)分子即可能產生上千萬種組合方式的寡糖。直到「一鍋化」系列方法問世,科學家才得以人工方法合成足量、純粹的醣分子。

1982年,由中央研究院院士翁啟惠研發的「一鍋式酵素合成法」,是使用生物方式將單醣都放進同一個反應器裡,再以酵素合成出所需的寡醣;1999年,則進一步研發「程式化一鍋合成法」,是一種採用化學方式,將單醣所組成的組合單元(building blocks, BBL),依據其相對反應值(relative reactivity values, RRV),建入電腦程式Optimer與資料庫,科學家只要輸入想合成的寡醣結構,即可找出適合的組合單元。
 

相對反應值

當一個醣組合單元有著越大的相對反應值,表示此組合單元當作捐贈者(donor)時,可以越快和它的接受者(acceptor)進行反應。一鍋化醣分子合成法便是利用組合單元由快到慢的接合特性,使一連串的組合單元接合成最後想要的合成標的。
 

醣分子合成

去(2018)年底,在繼「一鍋式酵素合成法」及「程式化一鍋合成法」後,中研院的基因體研究中心及資訊科學研究所跨領域合作,結合人工智慧(articial intelligence,AI)及演算法(algorithm),寫成電腦軟體「Auto-CHO」與學術社群共享,讓「程式化一鍋合成法」更上層樓。科學家往後可以如閱讀食譜,更快速且廣泛地合成醣分子,並可望對醣分子相關的疾病提出更多解方。

而執行一鍋化醣分子合成的程式Optimer,是一種運作於麥金塔作業系統(Macintosh operating systems)的非公開軟體。2012年時,翁啟惠期望將此程式改寫成能在微軟(Windows)作業系統中運作的程式,並開放給更多科學家使用,以增進科學界進行一鍋化醣分子合成的便利性。因此,他與筆者的研究團隊共同研究,也進一步開啟了這段跨領域的合作。

首先,筆者的研究團隊必須要了解1999年所發表的那篇與Optimer系統有關的論文,並熟悉此系統的程式碼邏輯。在研究的一開始,筆者便體認到隔行如隔山,對於許多化學上的詞彙十分陌生。不過,經由不斷討論、交流與文獻閱讀之下,逐漸克服各種瓶頸,在此過程中筆者的研究團隊也學到了許多新知識,是一場名符其實的跨領域研究。......【更多內容請閱讀科學月刊第596期】