作者：向华(中国科学院微生物研究所副所长、微生物资源前期开拓国家重点实验室主任)

***事宜

近期，中国科学院微生物研究所的吴边团队通过利用人工智能打算技能，构建出一系列的新型酶蛋白，实现了自然界未曾创造的催化反应；并在世界上首次通过完备的打算辅导，得到了工业级微生物工程菌株，取得了人工智能驱动生物制造在工业化运用层面的率先打破。
成果揭橥在学术期刊《自然·化学生物学》杂志上。

该项研究不仅降落了传统化学合成中对反应条件的苛刻哀求，更主要的是办理了化学合成带来的污染问题。
这是人工智能技能在工业菌株设计方向的成功案例，验证了其科学理论根本，也将为人工智能与传统生物家当的互作领悟打开新局势。

当代生物制造已经成为环球性的计策性新兴家当，在化工、材料、医药、食品、农业等诸多重大工业领域得到了广泛的运用，根据OECD预测，到2030年约有35%的化学品和其他工业产品来自生物制造。
欧、美、日等紧张发达国家都将绿色生物制造确立为计策发展重点，并分别制订了相应的国家方案。
我国正处于培植创新型国家与加快生态文明系统编制改革的决定性阶段，紧随并引领天下科技前沿，发展新型绿色生物制造技能，支撑传统家当升级变革，关乎资源、环境、康健，符合国家重大计策需求。

近年来，人工智能技能迅猛发展，其影响开始推广到绿色生物制造领域，尤其是在其核心元件蛋白质的设计方面，发挥了巨大的浸染。
通过人工智能技能，预测蛋白质构造、设计蛋白质功能，可以极大地扩展人工改造生命体的运用处景，变革性地推动绿色生物制造的发展。
蛋白质的工程改造正在经历了从传统实验进化到打算机虚拟设计的演化过程，打算机赞助蛋白构造预测以及新功能酶设计谋略得到了前所未有的重视和发展，成为了生物学、化学、物理学、数学等多学科交叉的热点前沿领域。

人工智能“打算”新酶已成为国际热点

酶是生物催化技能中的核心“发动机”，实在质是一种蛋白质。
蛋白质的生物学功能很大程度上由其三维构造决定，构造预测是理解酶功能的一种主要路子。
《科学》杂志将蛋白质折叠问题列为125个最为重大的科学问题之一。

近年来，随着打算机科学、打算化学、生物信息学等多学科的联合进步，这一问题的办理看到了曙光。
尤其是在CASP竞赛推动下，蛋白质构造预测方法和新功能酶打算设计谋略得到了迅猛的发展。

设计蛋白质一方面可以揭示蛋白质构造与功能关系的规律，另一方面可以创造具有潜在运用代价的蛋白质。
2016年，《自然》杂志揭橥了题为《全新蛋白质设计时期来临》的主要综述。
同年，《科学》杂志也将蛋白质打算机设计挑选为年度十大科技打破之一。
2017年，美国化学会将人工智能设计新型蛋白质构造列为化学领域八大科研进展之首。
多个来自美国、瑞士等国的科研团队生动在这个领域，文章揭橥在《自然》、《科学》等顶级学术期刊上。

我国在工业化运用上率先得到打破

目前，环球微生物酶制剂市场紧张由几家跨国企业垄断。
与之比较，海内企业在市场竞争中仍旧处于不利的位置，以大宗普通微生物催化剂(如淀粉酶、糖化酶)为主，行业呈现出竞争白热化的态势。
但我国已经把稳到这个问题，并着力改进。
2017年5月，《“十三五”生物技能创新专项方案》在坚持创新发展、着力提高发展质量和效益层面，提出拓展家当发展空间、支持人工智能技能等具有重大家当变革前景的颠覆性技能发展哀求。

光明图片/视觉中国

在此方案的指引下，我国的多个研究团队在该领域取得了不俗成绩。
例如，中国科学院微生物研究所的吴边团队通过人工智能打算技能，赋能传统微生物资源，在世界上首次完成了工业级工程菌株的打算设计，得到人工智能驱动生物制造工业化的率先打破。
该团队不仅设计了β-氨基酸这一类具备分外生物活性的非天然氨基酸的最优合成路子，还借助人工智能打算手段，成功设计出一系列的β-氨基酸合成酶，并据此构建出能够高效合成β-氨基酸的工程菌株。

不仅如此，微生物研究所还积极推进成果的落地转化。
通过与企业的互助，已经建成千吨级的生产线，干系产品潜在市场规模超过30亿，有望在紫杉醇、度鲁特韦与马拉维若等抗癌与艾滋病治疗药物的生产过程中大幅度降落生产本钱。
中国科技大学的刘海燕团队则提出了一种新的统计能量模型，为搭建具有高“可设计性”的蛋白质主链构造供应了可行性办理方案。
2017年，该团队与中科院脑科学与智能技能卓越创新中央杨弋团队互助，设计出了新一代细胞代谢荧光蛋白质探针，并将其运用于活体动物成像与高通量药物筛选，干系成果揭橥于《自然·方法学》。

除此之外，中国科学院天津工业生物技能研究所的江会锋团队，通过利用人工智能技能进行关键合成酶的发掘，在国际上首次实现了主要中药活性身分灯盏花素的人工生物合成，干系成果揭橥于《自然·通讯》，引起强烈反响。

建立适宜人工智能驱动生物技能的科研环境

开展人工智能设计元件的核心算法与策略研究。
人工智能技能运用于生物制造领域最为根本的部分是核心算法与设计谋略的创造。
考虑到根本研究的难度与特点，建议选拔一批在该领域的拔尖科学家，供应相对稳定的支持，让他们潜心研究、长期攻关、实现更多原创创造，提出更多原创理论，开辟更多领域发展方向。
将人工智能技能与蛋白质构造与功能理论、合成化学理论、量子化学理论有机交叉领悟，发展新型算法，搭建“高可设计性”系统策略，把控底层核心技能源头，力争实现人工智能关键技能驱动生物制造的国际领跑地位。

拓展人工智能设计元件在生物制造领域的运用处景。
在发展算法的根本上，我国还应积极推进人工智能设计在生物制造领域的运用拓展。
建议由上风单位组织重大项目，协同全国干系单位联合攻关；发展系统、科学的新型化学运用拓展策略，利用新型生物催化反应改造和优化现有自然生物体系，从头创建合成可控、功能特定的人工生物体系，在创造研究工具和技能方法的根本上，推动化学、生物、材料、农业、医学等多学科的本色性交叉与互助，为天然化学品与有机化工质料摆脱对天然资源的依赖，促进可持续经济体系形成与发展奠定科学根本，全面提升我国生物制造家当的核心竞争力。

推进人工智能驱动生物制造技能的家当发展。
创新驱动发展计策须要落实创新成果，创造新的经济增长点。
人工智能驱动的生物制造技能的终极代价也该当表示在实实在在的家当活动上，如果没有与高下游的良好生态，再出色的技能或产品也只能是去世路一条。
建议在技能发展与市场需求的耦合驱动下，坚持产学研多方位的开放联合，肃清成果转化过程实行层面仍旧广泛存在的各类樊篱；重视成本对付技能和家当发展的催化浸染，探索设立专项家当发展基金等市场调控手段；在国家层面，折衷沟通畅业监管机构，破除不合时宜的迂腐政策限定，尽快建立有利于新兴生物技能的政策法规体系；实现资源、能源的节约与替代，加快转变经济增长模式，加速推进绿色与高效低碳生物经济的家当根本格局。