【科學(xué)向未來(lái)】

　　作者：向華（中國科學(xué)院微生物研究所副所長(cháng)、微生物資源前期開(kāi)發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任）

　　新聞事件

　　近期，中國科學(xué)院微生物研究所的吳邊團隊通過(guò)使用人工智能計算技術(shù)，構建出一系列的新型酶蛋白，實(shí)現了自然界未曾發(fā)現的催化反應；并在世界上首次通過(guò)完全的計算指導，獲得了工業(yè)級微生物工程菌株，取得了人工智能驅動(dòng)生物制造在工業(yè)化應用層面的率先突破。成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然·化學(xué)生物學(xué)》雜志上。

　　該項研究不僅降低了傳統化學(xué)合成中對反應條件的苛刻要求，更重要的是解決了化學(xué)合成帶來(lái)的污染問(wèn)題。這是人工智能技術(shù)在工業(yè)菌株設計方向的成功案例，驗證了其科學(xué)理論基礎，也將為人工智能與傳統生物產(chǎn)業(yè)的互作融合打開(kāi)新局面。

　　現代生物制造已經(jīng)成為全球性的戰略性新興產(chǎn)業(yè)，在化工、材料、醫藥、食品、農業(yè)等諸多重大工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，根據OECD預測，到2030年約有35%的化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品來(lái)自生物制造。歐、美、日等主要發(fā)達國家都將綠色生物制造確立為戰略發(fā)展重點(diǎn)，并分別制定了相應的國家規劃。我國正處于建設創(chuàng )新型國家與加快生態(tài)文明體制改革的決定性階段，緊隨并引領(lǐng)世界科技前沿，發(fā)展新型綠色生物制造技術(shù)，支撐傳統產(chǎn)業(yè)升級變革，關(guān)乎資源、環(huán)境、健康，符合國家重大戰略需求。

　　近年來(lái)，人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，其影響開(kāi)始推廣到綠色生物制造領(lǐng)域，尤其是在其核心元件蛋白質(zhì)的設計方面，發(fā)揮了巨大的作用。通過(guò)人工智能技術(shù)，預測蛋白質(zhì)結構、設計蛋白質(zhì)功能，可以極大地擴展人工改造生命體的應用場(chǎng)景，變革性地推動(dòng)綠色生物制造的發(fā)展。蛋白質(zhì)的工程改造正在經(jīng)歷了從傳統實(shí)驗進(jìn)化到計算機虛擬設計的演變過(guò)程，計算機輔助蛋白結構預測以及新功能酶設計策略得到了前所未有的重視和發(fā)展，成為了生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、數學(xué)等多學(xué)科交叉的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。

　　人工智能“計算”新酶已成為國際熱點(diǎn)

　　酶是生物催化技術(shù)中的核心“發(fā)動(dòng)機”，其本質(zhì)是一種蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能很大程度上由其三維結構決定，結構預測是了解酶功能的一種重要途徑�！犊茖W(xué)》雜志將蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題列為125個(gè)最為重大的科學(xué)問(wèn)題之一。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)計算機科學(xué)、計算化學(xué)、生物信息學(xué)等多學(xué)科的聯(lián)合進(jìn)步，這一問(wèn)題的解決看到了曙光。尤其是在CASP競賽推動(dòng)下，蛋白質(zhì)結構預測方法和新功能酶計算設計策略得到了迅猛的發(fā)展。

　　設計蛋白質(zhì)一方面可以揭示蛋白質(zhì)結構與功能關(guān)系的規律，另一方面可以創(chuàng )造具有潛在應用價(jià)值的蛋白質(zhì)。2016年，《自然》雜志發(fā)表了題為《全新蛋白質(zhì)設計時(shí)代來(lái)臨》的重要綜述。同年，《科學(xué)》雜志也將蛋白質(zhì)計算機設計遴選為年度十大科技突破之一。2017年，美國化學(xué)會(huì )將人工智能設計新型蛋白質(zhì)結構列為化學(xué)領(lǐng)域八大科研進(jìn)展之首。多個(gè)來(lái)自美國、瑞士等國的科研團隊活躍在這個(gè)領(lǐng)域，文章發(fā)表在《自然》、《科學(xué)》等頂級學(xué)術(shù)期刊上。

　　我國在工業(yè)化應用上率先獲得突破

　　目前，全球微生物酶制劑市場(chǎng)主要由幾家跨國企業(yè)壟斷。與之相比，國內企業(yè)在市場(chǎng)競爭中仍然處于不利的位置，以大宗普通微生物催化劑（如淀粉酶、糖化酶）為主，行業(yè)呈現出競爭白熱化的態(tài)勢。但我國已經(jīng)注意到這個(gè)問(wèn)題，并著(zhù)力改善。2017年5月，《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng )新專(zhuān)項規劃》在堅持創(chuàng )新發(fā)展、著(zhù)力提高發(fā)展質(zhì)量和效益層面，提出拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、支持人工智能技術(shù)等具有重大產(chǎn)業(yè)變革前景的顛覆性技術(shù)發(fā)展要求。

　　光明圖片/視覺(jué)中國

　　在此規劃的指引下，我國的多個(gè)研究團隊在該領(lǐng)域取得了不俗成績(jì)。例如，中國科學(xué)院微生物研究所的吳邊團隊通過(guò)人工智能計算技術(shù)，賦能傳統微生物資源，在世界上首次完成了工業(yè)級工程菌株的計算設計，獲得人工智能驅動(dòng)生物制造工業(yè)化的率先突破。該團隊不僅設計了β-氨基酸這一類(lèi)具備特殊生物活性的非天然氨基酸的最優(yōu)合成途徑，還借助人工智能計算手段，成功設計出一系列的β-氨基酸合成酶，并據此構建出能夠高效合成β-氨基酸的工程菌株。

　　不僅如此，微生物研究所還積極推進(jìn)成果的落地轉化。通過(guò)與企業(yè)的合作，已經(jīng)建成千噸級的生產(chǎn)線(xiàn)，相關(guān)產(chǎn)品潛在市場(chǎng)規模超過(guò)30億，有望在紫杉醇、度魯特韋與馬拉維若等抗癌與艾滋病治療藥物的生產(chǎn)過(guò)程中大幅度降低生產(chǎn)成本。中國科技大學(xué)的劉海燕團隊則提出了一種新的統計能量模型，為搭建具有高“可設計性”的蛋白質(zhì)主鏈結構提供了可行性解決方案。2017年，該團隊與中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心楊弋團隊合作，設計出了新一代細胞代謝熒光蛋白質(zhì)探針，并將其應用于活體動(dòng)物成像與高通量藥物篩選，相關(guān)成果發(fā)表于《自然·方法學(xué)》。

　　除此之外，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的江會(huì )鋒團隊，通過(guò)使用人工智能技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵合成酶的發(fā)掘，在國際上首次實(shí)現了重要中藥活性成分燈盞花素的人工生物合成，相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》，引起強烈反響。

　　建立適合人工智能驅動(dòng)生物技術(shù)的科研環(huán)境

　　開(kāi)展人工智能設計元件的核心算法與策略研究。人工智能技術(shù)應用于生物制造領(lǐng)域最為基礎的部分是核心算法與設計策略的創(chuàng )造�？紤]到基礎研究的難度與特點(diǎn)，建議選拔一批在該領(lǐng)域的拔尖科學(xué)家，提供相對穩定的支持，讓他們潛心研究、長(cháng)期攻關(guān)、實(shí)現更多原創(chuàng )發(fā)現，提出更多原創(chuàng )理論，開(kāi)辟更多領(lǐng)域發(fā)展方向。將人工智能技術(shù)與蛋白質(zhì)結構與功能理論、合成化學(xué)理論、量子化學(xué)理論有機交叉融合，發(fā)展新型算法，搭建“高可設計性”系統策略，把控底層核心技術(shù)源頭，力爭實(shí)現人工智能關(guān)鍵技術(shù)驅動(dòng)生物制造的國際領(lǐng)跑地位。

　　拓展人工智能設計元件在生物制造領(lǐng)域的應用場(chǎng)景。在發(fā)展算法的基礎上，我國還應積極推進(jìn)人工智能設計在生物制造領(lǐng)域的應用拓展。建議由優(yōu)勢單位組織重大項目，協(xié)同全國相關(guān)單位聯(lián)合攻關(guān)；發(fā)展系統、科學(xué)的新型化學(xué)應用拓展策略，利用新型生物催化反應改造和優(yōu)化現有自然生物體系，從頭創(chuàng )建合成可控、功能特定的人工生物體系，在創(chuàng )造研究工具和技術(shù)方法的基礎上，推動(dòng)化學(xué)、生物、材料、農業(yè)、醫學(xué)等多學(xué)科的實(shí)質(zhì)性交叉與合作，為天然化學(xué)品與有機化工原料擺脫對天然資源的依賴(lài)，促進(jìn)可持續經(jīng)濟體系形成與發(fā)展奠定科學(xué)基礎，全面提升我國生物制造產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。

　　推進(jìn)人工智能驅動(dòng)生物制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略需要落實(shí)創(chuàng )新成果，創(chuàng )造新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。人工智能驅動(dòng)的生物制造技術(shù)的最終價(jià)值也應該體現在實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)業(yè)活動(dòng)上，如果沒(méi)有與上下游的良好生態(tài)，再出色的技術(shù)或產(chǎn)品也只能是死路一條。建議在技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)需求的耦合驅動(dòng)下，堅持產(chǎn)學(xué)研多方位的開(kāi)放聯(lián)合，消除成果轉化過(guò)程執行層面仍然廣泛存在的種種屏障；重視資本對于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的催化作用，探索設立專(zhuān)項產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金等市場(chǎng)調控手段；在國家層面，協(xié)調溝通行業(yè)監管機構，破除不合時(shí)宜的陳舊政策限制，盡快建立有利于新興生物技術(shù)的政策法規體系；實(shí)現資源、能源的節約與替代，加快轉變經(jīng)濟增長(cháng)模式，加速推進(jìn)綠色與高效低碳生物經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)基礎格局。

　　《光明日報》（ 2018年06月07日 13版）