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参考消(xiao)息网2月12日(ri)报道(dao)据美国《大(da)众科学(xue)》杂志网站(zhan)1月15日(ri)报道(dao),科学(xue)家利(li)用人工智(zhi)能(AI)创造出全新的抗(kang)蛇毒蛋白(bai)质。
报道(dao)称,据世界卫生组织估计,每年有超过10万人被蛇咬伤致死,还有数(shu)十(shi)万人永(yong)久致残。借助尖端技术实现的前沿科学(xue)有望帮助减(jian)轻这一威胁(xie)。
根据一项1月15日(ri)发表在《自然》杂志上的研究,研究人员利(li)用一套人工智(zhi)能工具,成功设计出两种蛋白(bai)质以中和一些最致命的蛇毒毒素。在实验(yan)室实验(yan)中,将这些“全新的”蛋白(bai)质(自然界中不存在的分子)与致命的蛇毒化合物混合后注射,能避(bi)免100%的实验(yan)小鼠死亡。
该研究论文的主要作(zuo)者苏珊娜·巴斯克斯·托雷(lei)斯说(shuo):“我认为,我们可以彻底改变(蛇咬伤的)治疗方(fang)法。”巴斯克斯·托雷(lei)斯是一名生物化学(xue)家,她在华盛顿大(da)学(xue)戴维·贝克实验(yan)室攻读博士学(xue)位期间完(wan)成了这项研究。贝克因创造新蛋白(bai)质而(er)荣获2024年诺贝尔化学(xue)奖。本周发表的这项研究是该研究方(fang)向的延续(xu)。巴斯克斯·托雷(lei)斯告诉《大(da)众科学(xue)》杂志:“当然,这项研究并没有完(wan)全解决问题,但它表明(ming),与传统方(fang)法相比,我们能超快速地合成分子,而(er)且这种方(fang)法有效。”她还说(shuo),这一策略有望带来比现有的更便宜、更安全且更有效的治疗方(fang)案。
斯克里(li)普斯研究所的免疫(yi)学(xue)与微生物学(xue)助理(li)教授约瑟夫·贾丁说(shuo):“这是了不起的研究成果。”贾丁未参与这项新研究,但此(ci)前曾发表针(zhen)对同类化合物合成抗(kang)蛇毒血清(qing)的研究。他表示,这项新研究既展示了近年来在人工智(zhi)能迅速发展的推动下(xia),蛋白(bai)质设计取得(de)了多(duo)大(da)的进展,同时也是医学(xue)领(ling)域一项令人振奋的实际进步。
尽管蛇咬伤造成了严重(zhong)后果,但一个(ge)多(duo)世纪(ji)以来,蛇咬伤的治疗方(fang)法一直未变,仍然是从接种了亚致死量蛇毒的马或其他动物身上采集抗(kang)体(ti)。这些抗(kang)蛇毒血清(qing)能挽救生命,但也存在一些严重(zhong)缺陷。
其一,它们价格(ge)昂贵且制作(zuo)困难,因为生产过程需要饲养大(da)量动物。其二,质量参差不齐,由于依(yi)赖不完(wan)美的免疫(yi)系统,产生的效果也不稳(wen)定,而(er)且抗(kang)蛇毒血清(qing)对某(mou)些毒素的效果往往优(you)于对其他毒素,因此(ci)只能部分中和蛇毒这种复杂混合物中最小的成分,对某(mou)些蛇类咬伤的治疗效果不佳。它们还可能在接受者身上引发过敏反应及其他不良副作(zuo)用。而(er)且,由于传统抗(kang)蛇毒血清(qing)是生物制品,对温度非常敏感,储存和运输(shu)都需要冷藏,导致成本更高(gao),也更难获得(de)。在蛇咬伤尤为常见的南半球(qiu)发展中国家的农(nong)村地区,这种治疗方(fang)法尤其难以获得(de)。
相比之下(xia),新设计的蛋白(bai)质能在更大(da)的温度范围内保持(chi)稳(wen)定,有望利(li)用酵母(mu)等微生物进行大(da)规模(mo)生产,引发的副作(zuo)用可能更少,而(er)且更容易进行微调并保持(chi)性能稳(wen)定。贾丁解释说(shuo):“这些全新设计的小蛋白(bai)质具有许多(duo)十(shi)分有趣的优(you)势,包括热稳(wen)定性、制造成本较低,能以抗(kang)体(ti)可能无法实现的方(fang)式靶向特定物质。”他还提出,有朝(chao)一日(ri),这类产品也许能通过类似“肾上腺(xian)素笔(bi)”的装置来给药,在最需要的地方(fang)随时可用。
蛇毒由多(duo)种不同毒素混合而(er)成。巴斯克斯·托雷(lei)斯及其同事将研究工作(zuo)聚(ju)焦于三指毒素(3FTx),传统抗(kang)蛇毒血清(qing)往往难以有效对抗(kang)这类致命化合物。三指毒素在眼镜蛇科蛇类的毒液中尤为显著,该科蛇类包括眼镜蛇、曼巴蛇和珊瑚蛇。这些毒素(本身就(jiu)是蛋白(bai)质)会在哺(bu)乳动物体(ti)内大(da)肆破坏。有些是导致瘫痪的神经毒素,另一些则会破坏细胞、损伤组织。
科学(xue)家试图找(zhao)出能对抗(kang)三种典型目标毒素的解毒蛋白(bai)质:一种短(duan)链α神经毒素、一种长链α神经毒素,以及一种细胞毒素。这三种典型毒素都已得(de)到(dao)充分研究,所以科学(xue)家从一开始就(jiu)知道(dao)它们的复杂结构(gou)。基于此(ci),他们能确定要使每种毒素失去活性所需阻断的关键结合位点。他们将这些信息输(shu)入(ru)第一个(ge)名为“罗塞塔折叠扩散”的人工智(zhi)能工具中,这是一种类似于达(da)尔-E和米德朱(zhu)尼实验(yan)室等推出的图像生成器模(mo)型,但它经过专门训练,能根据设定的标准输(shu)出蛋白(bai)质结构(gou)的模(mo)拟图。在这个(ge)案例中,设定的标准就(jiu)是毒素结构(gou)以及研究人员希(xi)望阻断的选定结合“热点”。人工智(zhi)能提供了数(shu)十(shi)种中和蛋白(bai)质的建议(以蛋白(bai)质构(gou)型的详细图像形式呈现),这些蛋白(bai)质可能填(tian)充那些结合位点,就(jiu)像为神秘的锁配制钥匙。
为了更深入(ru)了解这些理(li)论上的蛋白(bai)质并解析其构(gou)成,巴斯克斯·托雷(lei)斯、贝克及其他论文作(zuo)者采用了第二种生成式人工智(zhi)能模(mo)型——ProteinMPNN。该模(mo)型经过训练,能生成可行的氨基酸组合,这些氨基酸可以折叠在一起,复制扩散模(mo)型的输(shu)出结果。蛋白(bai)质折叠过程极(ji)为复杂,通常仅从氨基酸序列很难预测,反之,要知道(dao)哪种氨基酸序列会形成何种折叠形状也颇具挑战。ProteinMPNN加快了这一计算过程。接下(xia)来,研究人员使用了第三种预测性人工智(zhi)能工具“阿尔法折叠2”,独立(li)预测每一种氨基酸序列实际会如何折叠,以此(ci)对前两个(ge)模(mo)型的工作(zuo)进行双重(zhong)验(yan)证。在每一步之间,研究人员凭借自身专业(ye)视角,筛除不理(li)想的结果,将候(hou)选范围缩小至最佳选项。
研究人员将最有潜力的氨基酸链反向翻译为DNA序列,然后利(li)用经过改造的细菌大(da)量生产这些蛋白(bai)质。他们在培养皿中用人的肌肉和皮肤细胞对最有希(xi)望的候(hou)选蛋白(bai)质进行了一系列实验(yan),发现这些蛋白(bai)质对所有三种重(zhong)点研究的毒素均有效。这进一步缩小了范围,每个(ge)类别只剩下(xia)一个(ge)最有竞争力的候(hou)选者。科学(xue)家在一系列小鼠实验(yan)中对这些候(hou)选者逐一进行了测试。
在最初的测试中,他们的抗(kang)细胞毒素候(hou)选蛋白(bai)质并未减(jian)轻与蛇毒中毒相关的皮肤损伤,因此(ci)研究人员停止了对它的测试。但另外两种候(hou)选蛋白(bai)质被证明(ming)效果要好得(de)多(duo)。当与目标毒素直接混合并注射到(dao)小鼠体(ti)内时,两种抗(kang)神经毒素蛋白(bai)质都避(bi)免了所有小鼠死亡(如果不添加这些保护蛋白(bai)质,100%的小鼠会死亡)。
为了模(mo)拟治疗蛇咬伤的过程,科学(xue)家接着(zhe)测试了先(xian)给小鼠注射一种毒素,之后再注射候(hou)选蛋白(bai)质的情况。其中一种蛋白(bai)质拯救了接受注射的所有小鼠,即使在注射毒素30分钟后给药依(yi)然有效。另一种蛋白(bai)质在毒素注射15分钟后给药,能使80%的小鼠存活,30分钟后给药,存活率为60%。
巴斯克斯·托雷(lei)斯说(shuo):“看到(dao)这些蛋白(bai)质直接在动物身上发挥作(zuo)用,太令人震惊了。我们甚至无需进行任何优(you)化。”她说(shuo):“第一次尝试就(jiu)找(zhao)到(dao)有效的东西,这太不可思议了。”此(ci)外,得(de)益于人工智(zhi)能的计算助力,这项研究从提出想法到(dao)提交发表数(shu)据,仅仅用了大(da)约一年。“我觉得(de)这对任何科学(xue)论文而(er)言,都是创纪(ji)录的速度。”她说(shuo),这充分展示了机器学(xue)习能在多(duo)大(da)程度上加速研究进程。
这些研究成果只是近期抗(kang)蛇毒血清(qing)研究一系列新进展(比如贾丁的合成抗(kang)体(ti),以及重(zhong)新利(li)用的药物)中的最新成果。2017年,世界卫生组织将蛇咬伤列为“被忽(hu)视热带疾病”并将其作(zuo)为重(zhong)点,呼吁加大(da)投资并提升公共卫生关注度。此(ci)后,相关研究源源不断。贾丁说(shuo):“这为我们解决问题又增加了一种工具。(这些蛋白(bai)质)将具有抗(kang)体(ti)不具备(bei)的独特应用,反之亦然。”
然而(er),在全新设计的蛋白(bai)质获批用于人体(ti)之前,还有很长的路要走。虽然小鼠实验(yan)没有显示出任何明(ming)显的副作(zuo)用,但这些蛋白(bai)质在人体(ti)内的作(zuo)用方(fang)式以及它们是否(fou)真的安全,仍不得(de)而(er)知。巴斯克斯·托雷(lei)斯和贾丁都指出,它们是全新的分子,需要针(zhen)对脱靶反应和不良反应进行广泛的筛选与测试。巴斯克斯·托雷(lei)斯说(shuo):“我们需要证明(ming)这些分子是安全的。我们必须(xu)真正了解它们的作(zuo)用机制。”任何一种经设计的蛋白(bai)质抗(kang)蛇毒血清(qing)要进入(ru)市场(chang),都还需要很多(duo)很多(duo)年。
即使真的进入(ru)市场(chang),巴斯克斯·托雷(lei)斯及其同事发现的这些蛋白(bai)质也还不够。它们只能应对特定蛇毒中的两种特定毒素。巴斯克斯·托雷(lei)斯说(shuo),可能需要将大(da)约十(shi)种精心(xin)设计的蛋白(bai)质混合在一起,才能中和全部蛇毒。在寻找(zhao)广谱或通用抗(kang)蛇毒血清(qing)的道(dao)路上,科学(xue)家仍在探索(suo)。
尽管如此(ci),利(li)用微生物按(an)需大(da)量生产自然界中原(yuan)本不存在的全新蛋白(bai)质,这一前景让科学(xue)家兴(xing)奋不已。而(er)且这种兴(xing)奋并不局限于抗(kang)蛇毒血清(qing)领(ling)域。有朝(chao)一日(ri),全新设计的蛋白(bai)质或许能为各类疾病带来替代性疗法。这些氨基酸构(gou)成的物质介于生物药(从生物体(ti)中制造或提取)与阿司匹林(lin)这类小分子化学(xue)合成药之间。贾丁说(shuo):“你可以想象,这能解决大(da)量用传统方(fang)法无法解决的问题。这是一种全新的策略,而(er)我们才刚刚触及皮毛。”(编译/刘白(bai)云)
2016年5月17日(ri),在泰国曼谷梭(suo)瓦帕王后纪(ji)念研究所内设的蛇类博物馆,一名工作(zuo)人员为参观者演示取蛇毒。(新华社)