交通信号灯向汽车和公共汽车发出停车、减速和通行的信号。就像交通灯一样，植物细胞相互发送信号，进行光合作用，以生长或抵抗破坏性的病毒和病原体。
植物细胞产生胞间连丝，这是一种非常微小的管状结构，充当通信通道，使这些信号在细胞间传递。胞间连丝会根据激活蛋白调节因子(如PDLP5)的各种信号而打开和关闭。
特拉华大学(University of Delaware)植物分子和细胞生物学教授、特拉华生物技术研究所(Delaware Biotechnology Institute)临时所长李正渊(Jung-Youn Lee)说:“我们知道这种蛋白质对植物防御至关重要。”“但是这种蛋白质是如何到达胞间连丝的呢?”
这些蛋白质调节因子是如何找到它们的目的地来实现它们的目的并帮助细胞功能的，这个问题一直困扰着科学家们。直到特拉华大学介入。
在《植物细胞》(the Plant Cell)杂志封面上的一项新研究中，特拉华大学的研究人员发现，帮助保护植物免受病毒和细菌入侵的蛋白质pdlp5，有两个特殊的靶向信号，或者李所说的“邮政编码”，出乎意料地驻扎在细胞外。
“这就好像你把邮政编码藏在信封不寻常的一面，”李说。“我们做的不仅仅是找到邮政编码;我们破解了密码。现在我们知道邮政编码在哪里，以及它是什么样子。”
一个由生物学家和计算科学家组成的跨学科研究团队开发了机器学习算法，并将PDLP5的蛋白质序列引入突变，并重新引入拟南芥和拟南芥，以检查PDLP5是否会进入这些植物的胞间连丝，并找到第二个zip编码在哪里。研究小组发现，即使他们去掉了一个邮政编码，PDLP5仍然会很好地进入胞间连丝。
“这让我们很头疼，”李说。“我们一开始从没想过会有两个邮政编码紧挨着。”
两个“邮政编码”
李说，从历史上看，受到病毒攻击的植物被认为是“无助的失败者”。但在2011年，李和她的研究小组发现植物通过胞间连丝发送信号，让细胞“关闭边界”，以保护自己免受病原体的侵害。这一新发现是通过他们对当时新发现的蛋白质PDLP5的研究而实现的。
他们想知道植物是如何引导这些PDLP5蛋白帮助胞间连丝关闭通道的。
几年前，李的前学生、2017年毕业于华盛顿大学的王旭(Xu Wang)一直在写他的博士论文，研究植物细胞间的通讯以及进入胞间连丝的蛋白质的功能。
“我试图弄清楚定位于胞间连丝的蛋白质的哪一部分是重要的，”王说，“以及这部分是否包含一个更普遍或共同的特征，可以帮助我们了解其他蛋白质的定位机制，而不仅仅是我们正在研究的蛋白质。”
当Wang将各种突变引入PDLP5试图将其切碎时，接下来发生的事情令他震惊。
“什么都没变，”王说。“突变的，或简称形式，总是进入胞间连丝。”
王觉得他的研究和论文的最后一段卡住了。
王毕业后，李开复请来了计算机科学家来开发机器学习算法，以帮助解开这个谜团。
计算机与信息科学副教授廖莉(音)曾与李和她当时新招募的博士后加布里埃尔·罗伯斯·卢纳(Gabriel Robles Luna，目前在阿根廷的一所大学任教)合作进行这项研究。廖说，一个计算机模型训练了机器学习算法，使其做出两种预测。
该模型可以预测一个蛋白序列是否为pdlp5靶向蛋白，是否会进入胞间连丝，并预测靶向信号在蛋白序列中的位置。
廖说:“一个挑战是我们的训练数据非常有限，只有8个这样的蛋白质序列。”“现在，机器学习很强大，因为它可以在大量数据上进行训练。如果你只有少量的数据来训练一个模型，那就不容易了。”
为了克服这个问题，廖和他当时的新博士生、2021届特拉华大学毕业生李洁夫(Jiefu Li，音译)不得不以一种新的方式训练模型。
廖说:“我们已经开发了一些新的机制，包括修改标准训练算法来处理部分信号。”“如果我们知道一些暂定模式，我们可以将其纳入训练算法。更重要的是，这将使我们能够主动学习。”
李说，了解植物细胞内的蛋白质调控最终可以帮助科学家通过基因工程培育出能够迅速抵御病毒和其他微生物病原体的新作物。这是改善植物和作物功能的又一种方法。
“这对科学家来说是一个很酷的新工具箱，”李说。“我们有可以操纵的机制和分子。”
王对此表示同意，并补充说，利用位于胞连丝上的蛋白质进行基因工程的植物可以打开和关闭通道，这将有助于“操纵植物的整体适应性或植物的防御能力，从而潜在地带来一些农业效益”。
研究并没有就此停止。研究人员已经向美国国家科学基金会提交了另一份拨款提案，以继续他们的研究。现在，该团队希望使用机器学习算法来了解蛋白质信号是如何被使用的。就像UPS司机可能会使用邮政编码来投递包裹一样。李说，研究小组想知道整个“传递系统”的来龙去脉，包括哪些蛋白质参与其中，以及任何未知的参与者。
“如果我们只是操纵邮政编码，它可能有50%的成功率，”李说。“但如果我们知道谁是送货员，并改进或改变送货员，这样病毒就不能再转移到胞间连丝上了，如果我们能改变系统，植物就能更好地识别入侵者，知道不要把它们传递给胞间连丝。”
