爱吧机器人网 » 专题 > 相关科技 > 正文

微生物+人工智能:开启新一代生物制造

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

新闻事件

近期,中国科学院微生物研究所的吴边团队通过使用人工智能计算技术,构建出一系列的新型酶蛋白,实现了自然界未曾发现的催化反应;并在世界上首次通过完全的计算指导,获得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应用层面的率先突破。成果发表在学术期刊《自然·化学生物学》杂志上。

该项研究不仅降低了传统化学合成中对反应条件的苛刻要求,更重要的是解决了化学合成带来的污染问题。这是人工智能技术在工业菌株设计方向的成功案例,验证了其科学理论基础,也将为人工智能与传统生物产业的互作融合打开新局面。

现代生物制造已经成为全球性的战略性新兴产业,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应用,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、日等主要发达国家都将绿色生物制造确立为战略发展重点,并分别制定了相应的国家规划。我国正处于建设创新型国家与加快生态文明体制改革的决定性阶段,紧随并引领世界科技前沿,发展新型绿色生物制造技术,支撑传统产业升级变革,关乎资源、环境、健康,符合国家重大战略需求。


近年来,人工智能技术迅猛发展,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,发挥了巨大的作用。通过人工智能技术,预测蛋白质结构、设计蛋白质功能,可以极大地扩展人工改造生命体的应用场景,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计算机虚拟设计的演变过程,计算机辅助蛋白结构预测以及新功能酶设计策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“计算”新酶已成为国际热点

酶是生物催化技术中的核心“发动机”,其本质是一种蛋白质。蛋白质的生物学功能很大程度上由其三维结构决定,结构预测是了解酶功能的一种重要途径。《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,随着计算机科学、计算化学、生物信息学等多学科的联合进步,这一问题的解决看到了曙光。尤其是在CASP竞赛推动下,蛋白质结构预测方法和新功能酶计算设计策略得到了迅猛的发展。

设计蛋白质一方面可以揭示蛋白质结构与功能关系的规律,另一方面可以创造具有潜在应用价值的蛋白质。2016年,《自然》杂志发表了题为《全新蛋白质设计时代来临》的重要综述。同年,《科学》杂志也将蛋白质计算机设计遴选为年度十大科技突破之一。2017年,美国化学会将人工智能设计新型蛋白质结构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活跃在这个领域,文章发表在《自然》、《科学》等顶级学术期刊上。

我国在工业化应用上率先获得突破

目前,全球微生物酶制剂市场主要由几家跨国企业垄断。与之相比,国内企业在市场竞争中仍然处于不利的位置,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。但我国已经注意到这个问题,并着力改善。2017年5月,《“十三五”生物技术创新专项规划》在坚持创新发展、着力提高发展质量和效益层面,提出拓展产业发展空间、支持人工智能技术等具有重大产业变革前景的颠覆性技术发展要求。
 

光明图片/视觉中国

在此规划的指引下,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计算技术,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计算设计,获得人工智能驱动生物制造工业化的率先突破。该团队不仅设计了β-氨基酸这一类具备特殊生物活性的非天然氨基酸的最优合成途径,还借助人工智能计算手段,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。通过与企业的合作,已经建成千吨级的生产线,相关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低生产成本。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”的蛋白质主链结构提供了可行性解决方案。2017年,该团队与中科院脑科学与智能技术卓越创新中心杨弋团队合作,设计出了新一代细胞代谢荧光蛋白质探针,并将其应用于活体动物成像与高通量药物筛选,相关成果发表于《自然·方法学》。

除此之外,中国科学院天津工业生物技术研究所的江会锋团队,通过使用人工智能技术进行关键合成酶的发掘,在国际上首次实现了重要中药活性成分灯盏花素的人工生物合成,相关成果发表于《自然·通讯》,引起强烈反响。

建立适合人工智能驱动生物技术的科研环境

开展人工智能设计元件的核心算法与策略研究。人工智能技术应用于生物制造领域最为基础的部分是核心算法与设计策略的创造。考虑到基础研究的难度与特点,建议选拔一批在该领域的拔尖科学家,提供相对稳定的支持,让他们潜心研究、长期攻关、实现更多原创发现,提出更多原创理论,开辟更多领域发展方向。将人工智能技术与蛋白质结构与功能理论、合成化学理论、量子化学理论有机交叉融合,发展新型算法,搭建“高可设计性”系统策略,把控底层核心技术源头,力争实现人工智能关键技术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应用场景。在发展算法的基础上,我国还应积极推进人工智能设计在生物制造领域的应用拓展。建议由优势单位组织重大项目,协同全国相关单位联合攻关;发展系统、科学的新型化学应用拓展策略,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术方法的基础上,推动化学、生物、材料、农业、医学等多学科的实质性交叉与合作,为天然化学品与有机化工原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基础,全面提升我国生物制造产业的核心竞争力。

推进人工智能驱动生物制造技术的产业发展。创新驱动发展战略需要落实创新成果,创造新的经济增长点。人工智能驱动的生物制造技术的最终价值也应该体现在实实在在的产业活动上,如果没有与上下游的良好生态,再出色的技术或产品也只能是死路一条。建议在技术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,消除成果转化过程执行层面仍然广泛存在的种种屏障;重视资本对于技术和产业发展的催化作用,探索设立专项产业发展基金等市场调控手段;在国家层面,协调沟通行业监管机构,破除不合时宜的陈旧政策限制,尽快建立有利于新兴生物技术的政策法规体系;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产业基础格局。

来源:光明日报

上一篇:美国重夺全球“最快超算”桂冠:或再次被中国反超
下一篇:智能时代,这种可用于制造玻璃的“智能涂料”充满商机
精选推荐
改变保险市场的格局:无人机如何通过更快的估算、响应时间和利益交付来使消费者受益
改变保险市场的格局:无人机如何通过更快的估算、响应时间和利益交付来

[2018-12-08]  市场研究公司IHS Markit预测,到2020年,专业无人机市场将通过农业,能源和建筑等行业利用测量,制图,规划等技术实现77 1%的复合年增长率(CAGR)。与此同时,消费者无人......

美国喷气推进实验室的AI驱动无人机挑战人类飞行员
美国喷气推进实验室的AI驱动无人机挑战人类飞行员

[2017-12-08]  随着无人机及其组件越来越小,效率越来越高,功能越来越强大,我们已经看到越来越多的研究开始让无人机自主飞行在半结构化的环境中,而不依赖于外部定位。 宾夕法尼亚大学在......

谷歌《Nature》发论文称实现量子霸权 18亿倍速碾压世界最强超算
谷歌《Nature》发论文称实现量子霸权 18亿倍速碾压世界最强超算

[2019-10-23]  谷歌坚称自己已经取得了量子霸权——这标志着计算研究领域的一个重要里程碑。谷歌首次发布声明是在今年9月,虽然遭到竞争对手的质疑,但就 ...

17世纪的莱布尼茨试图制造“思想机器”却被现实打脸
17世纪的莱布尼茨试图制造“思想机器”却被现实打脸

[2019-11-05]  莱布尼茨,德国哲学家、数学家、律师,历史上少见的通才1666年,德国博学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)发 ...

英国首台月球车是个小型四腿机器人 将于2021年登月
英国首台月球车是个小型四腿机器人 将于2021年登月

[2019-10-12]  探测器将用四条腿探测月球表面,并将数据传回着陆器,后者将把数据传回地球图 詹姆斯温斯皮尔英国即将成为继美国、俄罗斯、中国之后的又一 ...

智能农业:种地的事儿未来全交给这些机器人吧
智能农业:种地的事儿未来全交给这些机器人吧

[2019-12-07]  SRC公司创始人Sam与温波尔庄园农场经理Callum Weir以及监控机器人Tom总部位于英国的农业科技初创公司SRC(Small Robot Company),正在 ...

谷歌在中国成立一个新的人工智能(AI)研究中心
谷歌在中国成立一个新的人工智能(AI)研究中心

[2017-12-13]  谷歌正在中国建立一个新的人工智能(AI)研究中心,希望进一步扩展到中国,以充分利用中国高度重视的人工智能技术。人工智能是目前地球上最具竞争力的领域之一,亚马逊,微软......

2023年服务机器人市场将超过250亿美元
2023年服务机器人市场将超过250亿美元

[2017-09-04]  全球服务机器人市场预计到2023年将达到250亿美元, 并在预测期内登记15% 的复合年增长率。短期中期回收期和投资回报率高 (ROI), 以及在教育和研究、临场感、防御、救援和安......

本周栏目热点

“合体”后的异构机器人吸引力十足

[1970-01-01]    不少机器人,都各有自己看家的本领,但你是否有看到过将两种不同运动形式的机器人结合在一个平台上,比方说:你可以结合地面机器人的效 ...

微软拟开放Edge浏览器关键引擎源代码

[2015-12-09]   据外媒报道,现在,微软在开源工作上取得了越来越多的成果,并且它还在继续对开发者社区开放更多的技术 ...

中国量子卫星实现超光速通信?量子纠缠不允许

[2016-09-01]   中国在最近发射了一枚卫星用于测试量子纠缠。这是一项有趣的实验,这将有望实现防黑客的卫星通信。然而,这也导致了一系列的文章声 ...

[2016-05-08]   编者按中国制造业正走在裂变的十字路口上。一方面因为国家经济结构调整,经济增长从高速转向中高速,制造业过剩的产能需要有一个痛 ...

MIT发明新材料:在特定温度能够自动恢复原状

[2016-09-01]   8月29日消息,在过去几十年里,麻省理工学院凭借其强大的科学研发能力为人类创造了许多新发明,现在这份发明单里面又要新添加上一 ...