合成生物学爆火，AI强力入局带来创造万物的可能性

2022年5月10日，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》。《规划》提出，“十四五”时期，我国生物技术和生物产业加快发展，生物经济成为推动高质量发展的强劲动力。

作为高端生物产业的重要组成部分，合成生物学的进展备受瞩目。伴随着“21世纪是生物的世纪”这句话由调侃走向现实，人类对生命科学的探索研究，正迈进一段前所未有的时期。

能分解聚酯材料的生物酶，或许能真正解决废弃塑料的污染问题；利用大肠杆菌生产大宗化工材料，有望摆脱石油原料的束缚；打开“上帝视角”生产抗疟药物和抗癌药物，用全新的方式助力新药研发……合成生物学大量研究成果持续涌现，对各行业的影响与日俱增。

2021年，AlphaFold预测蛋白结构的精准度超过传统方式，成为AI对基础科学领域的重大突破。自此，AI+合成生物学的组合，掀起了新一波的创新浪潮。

天工开物，以AI为主导的蛋白质设计

合成生物学是典型的多领域交叉学科，其目标是按特定需求对生物体进行设计、改造乃至重新合成，该技术突破了自然进化的限制，以此建立了一条生物制造药物、功能材料和能源替代品等的新途径。

“AI+合成生物学”有许多细分赛道，比如智能化元件工程、线路工程、代谢工程和基因组工程等。近来，由AI主导的蛋白质设计则异军突起。

主流的蛋白质开发、酶工程优化通常以天然蛋白质为基础，采用突变或定向进化的办法对其进行改造和修饰。此类方法研发耗时长、费用高，应用范畴也被局限于已知天然蛋白质的功能区域内，很难满足人们对于生物药、工业食品酶等的广泛需求。

以AI主导的蛋白质设计则致力于走出有别于传统方法的全新路径。AI通过大量学习蛋白质序列与结构的关系，能够准确探索出蛋白质可折叠空间所有潜在的可能性。挖掘具备目标功能的蛋白质序列，以从头设计的路线快速生成多肽、抗体、蛋白质。相比其它方式，AI主导的蛋白质设计平台拥有更高的设计成功率，所需的设计时间也大幅降低，从而使实现“规模化生物制造”的目标成为可能。

然而，这在过去只存在于科学家们的理想状态里，因为生命系统极其复杂，包含大量不同的基因和调控元件，元件之间又以海量不同的组合形成模块、网络，难以精确描述和预测。仅在人体中，就有数以万亿级的细胞相互作用并形成反馈。与之相比，获取细胞及其相互作用的过程显得十分低效，其中包括大量试验和纠错的过程，是高效设计合成生物系统的核心障碍。

“用AI的方式生成蛋白质结构能够摆脱前期在实验室中大量试错，我们认为AI模型的研发要以充分解析蛋白质功能背后蕴藏的遗传密码为目标，并充分学习氨基酸序列与蛋白质结构之间的对应关系。这是一个有关生命本质的根本性问题，每个研究的人员还得有足够的耐心。”上海天壤智能科技有限公司CEO薛贵荣说道。

上海天壤XLab团队，核心算法团队来自于帝国理工、纽约大学、上海交通大学等国内外顶尖高校，具有数十年的人工智能、生物计算、生物医药研发经验、专利和技术。

该团队融合了IT和BT技术，从分子层面对细胞微环境进行多组学分析，利用AI从头设计特异性更强、安全性更高的人工蛋白质，打破当前大分子药物开发中完全依赖于天然蛋白质改造的局限性，力求使“让所有疾病都有药可用”的愿景成为现实。

团队自主研发了快速、准确度媲美AlphaFold2的蛋白质结构预测平台TRFold，构建了具有端到端从头进行蛋白质设计、检测并进行稳定性、亲和力优化的蛋白质设计平台TRDesign，目前正全力推动特性更优异的人工蛋白质设计工艺和药物开发流程。

“从前，数以百万计的具有潜在价值的蛋白质无法通过生物制造的方式获得，现在可以通过TRDesign进行研究，并用于生物医学和化学、材料学、环境保护等众多领域。比如研发蛋白药，使用TRDesign，药物可以从真正意义上被设计出来，而不是通过传统方式发现筛选出来。”薛贵荣博士表示。

开启未来的设计方式

从全球范围来看，以AI为核心的蛋白质设计已经从技术概念过渡到价值验证阶段，已经有多款以AI为主导研发的生物酶、医药蛋白进入临床试验阶段。

AbCellera专有的AI驱动抗体发现平台，通过分析天然免疫系统数据库来寻找可以开发为药物的抗体，结合了高通量微流体技术、大规模数据科学、机器学习、生物信息学以及基因组学信息，在60天内制定医疗对策。Neoleukin也通过复杂的计算从头设计出具有比天然蛋白更好的药学属性且具有高选择性、高度稳定的蛋白质药物。

值得关注的是，天壤XLab基于TRDesign，设计了新冠刺突蛋白结合剂，可以阻止刺突蛋白和人体ACE2蛋白结合。

ACE2就是血管紧张素转换酶2，是SARS-CoV-2进入细胞所需的受体，在SARS-CoV-2入侵宿主细胞的过程中起着至关重要的作用。而新冠刺突蛋白结合剂具有和S蛋白结合的能力，从而成为SARS-CoV-2病毒的诱饵受体。通过与病毒竞争性结合，有效防止病毒与细胞表面的天然ACE2结合，进而阻止病毒进入宿主细胞。

目前，天壤XLab正在积极推进新冠刺突蛋白结合剂的湿实验流程，有望在近期取得新进展。如果进展顺利，这将是蛋白质治疗领域的一次重大飞跃，意味着我们不再依赖传统的药物发现方法，能够主动设计治疗性蛋白质，以前无药可用的疾病，也会因设计出有效的蛋白质候选药物得以医治。

国内企业的强势入局，加速了这一领域技术壁垒的形成，为强化合成生物技术战略科技力量打下了坚实基础。而AI与合成生物学擦出的美妙火花，也促进了能源和环境可持续性、原材料采购、食品生产和人类健康等方面的改善，吸引着越来越多的企业和科研机构的加入。

随着AI技术的逐渐成熟，一个高效且低成本的蛋白质研发时代即将到来。让我们想象五年、十年、二十年后可能发生的事情，希望由AI主导设计的蛋白质能够真正点燃“创造万物”的动力引擎。