【科學向未來】

　　作者：向華（中國科學院微生物研究所副所長、微生物資源前期開發(fā)國家重點實驗室主任）

　　新聞事件

　　近期，中國科學院微生物研究所的吳邊團隊通過使用人工智能計算技術，構建出一系列的新型酶蛋白，實現(xiàn)了自然界未曾發(fā)現(xiàn)的催化反應；并在世界上首次通過完全的計算指導，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)表在學術期刊《自然·化學生物學》雜志上。

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

　　現(xiàn)代生物制造已經(jīng)成為全球性的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在化工、材料、醫(yī)藥、食品、農業(yè)等諸多重大工業(yè)領域得到了廣泛的應用，根據(jù)OECD預測，到2030年約有35%的化學品和其他工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造。歐、美、日等主要發(fā)達國家都將綠色生物制造確立為戰(zhàn)略發(fā)展重點，并分別制定了相應的國家規(guī)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，緊隨并引領世界科技前沿，發(fā)展新型綠色生物制造技術，支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級變革，關乎資源、環(huán)境、健康，符合國家重大戰(zhàn)略需求。

　　近年來，人工智能技術迅猛發(fā)展，其影響開始推廣到綠色生物制造領域，尤其是在其核心元件蛋白質的設計方面，發(fā)揮了巨大的作用。通過人工智能技術，預測蛋白質結構、設計蛋白質功能，可以極大地擴展人工改造生命體的應用場景，變革性地推動綠色生物制造的發(fā)展。蛋白質的工程改造正在經(jīng)歷了從傳統(tǒng)實驗進化到計算機虛擬設計的演變過程，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、化學、物理學、數(shù)學等多學科交叉的熱點前沿領域。

　　人工智能“計算”新酶已成為國際熱點

　　酶是生物催化技術中的核心“發(fā)動機”，其本質是一種蛋白質。蛋白質的生物學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。《科學》雜志將蛋白質折疊問題列為125個最為重大的科學問題之一。

　　近年來，隨著計算機科學、計算化學、生物信息學等多學科的聯(lián)合進步，這一問題的解決看到了曙光。尤其是在CASP競賽推動下，蛋白質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。

　　設計蛋白質一方面可以揭示蛋白質結構與功能關系的規(guī)律，另一方面可以創(chuàng)造具有潛在應用價值的蛋白質。2016年，《自然》雜志發(fā)表了題為《全新蛋白質設計時代來臨》的重要綜述。同年，《科學》雜志也將蛋白質計算機設計遴選為年度十大科技突破之一。2017年，美國化學會將人工智能設計新型蛋白質結構列為化學領域八大科研進展之首。多個來自美國、瑞士等國的科研團隊活躍在這個領域，文章發(fā)表在《自然》、《科學》等頂級學術期刊上。

　　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主要由幾家跨國企業(yè)壟斷。與之相比，國內企業(yè)在市場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(xiàn)出競爭白熱化的態(tài)勢。但我國已經(jīng)注意到這個問題，并著力改善。2017年5月，《“十三五”生物技術創(chuàng)新專項規(guī)劃》在堅持創(chuàng)新發(fā)展、著力提高發(fā)展質量和效益層面，提出拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間、支持人工智能技術等具有重大產(chǎn)業(yè)變革前景的顛覆性技術發(fā)展要求。

　　光明圖片/視覺中國

　　在此規(guī)劃的指引下，我國的多個研究團隊在該領域取得了不俗成績。例如，中國科學院微生物研究所的吳邊團隊通過人工智能計算技術，賦能傳統(tǒng)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(jù)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成果的落地轉化。通過與企業(yè)的合作，已經(jīng)建成千噸級的生產(chǎn)線，相關產(chǎn)品潛在市場規(guī)模超過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)過程中大幅度降低生產(chǎn)成本。中國科技大學的劉海燕團隊則提出了一種新的統(tǒng)計能量模型，為搭建具有高“可設計性”的蛋白質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與智能技術卓越創(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探針，并將其應用于活體動物成像與高通量藥物篩選，相關成果發(fā)表于《自然·方法學》。

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

　　建立適合人工智能驅動生物技術的科研環(huán)境

　　開展人工智能設計元件的核心算法與策略研究。人工智能技術應用于生物制造領域最為基礎的部分是核心算法與設計策略的創(chuàng)造。考慮到基礎研究的難度與特點，建議選拔一批在該領域的拔尖科學家，提供相對穩(wěn)定的支持，讓他們潛心研究、長期攻關、實現(xiàn)更多原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，提出更多原創(chuàng)理論，開辟更多領域發(fā)展方向。將人工智能技術與蛋白質結構與功能理論、合成化學理論、量子化學理論有機交叉融合，發(fā)展新型算法，搭建“高可設計性”系統(tǒng)策略，把控底層核心技術源頭，力爭實現(xiàn)人工智能關鍵技術驅動生物制造的國際領跑地位。

　　拓展人工智能設計元件在生物制造領域的應用場景。在發(fā)展算法的基礎上，我國還應積極推進人工智能設計在生物制造領域的應用拓展。建議由優(yōu)勢單位組織重大項目，協(xié)同全國相關單位聯(lián)合攻關；發(fā)展系統(tǒng)、科學的新型化學應用拓展策略，利用新型生物催化反應改造和優(yōu)化現(xiàn)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)造研究工具和技術方法的基礎上，推動化學、生物、材料、農業(yè)、醫(yī)學等多學科的實質性交叉與合作，為天然化學品與有機化工原料擺脫對天然資源的依賴，促進可持續(xù)經(jīng)濟體系形成與發(fā)展奠定科學基礎，全面提升我國生物制造產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。

　　推進人工智能驅動生物制造技術的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略需要落實創(chuàng)新成果，創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點。人工智能驅動的生物制造技術的最終價值也應該體現(xiàn)在實實在在的產(chǎn)業(yè)活動上，如果沒有與上下游的良好生態(tài)，再出色的技術或產(chǎn)品也只能是死路一條。建議在技術發(fā)展與市場需求的耦合驅動下，堅持產(chǎn)學研多方位的開放聯(lián)合，消除成果轉化過程執(zhí)行層面仍然廣泛存在的種種屏障；重視資本對于技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的催化作用，探索設立專項產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金等市場調控手段；在國家層面，協(xié)調溝通行業(yè)監(jiān)管機構，破除不合時宜的陳舊政策限制，盡快建立有利于新興生物技術的政策法規(guī)體系；實現(xiàn)資源、能源的節(jié)約與替代，加快轉變經(jīng)濟增長模式，加速推進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）

（責任編輯：符仲明）