近日，諾貝爾化學獎得主、復旦大學復雜體系多尺度研究院榮譽院長邁克爾·萊維特來到上海，將在這座他熱愛的城市工作大半年，指導復旦團隊研究計算生物學，利用人工智能算法預測蛋白質折疊的三維結構?！拔?0歲就開始研究蛋白質折疊問題?！?3歲的萊維特告訴解放日報·上觀新聞記者。與實驗生物學家不同，他的主要研究工具是計算機。

去年，谷歌開發(fā)的“阿爾法折疊2”（AlphaFold2）人工智能系統(tǒng)，預測蛋白質三維結構的準確率基本達到了實驗測定水平。復旦大學復雜體系多尺度研究院院長馬劍鵬認為，這個領域的科技革命已經(jīng)爆發(fā)，將帶來生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的巨大變革。上海可集全球之智，向“人工智能+生物醫(yī)藥”制高點發(fā)起沖擊。

新藥研發(fā)有望大幅提速

馬劍鵬介紹，蛋白質由一系列氨基酸折疊而成。氨基酸線性排列成一條長鏈，把它放到水里，整條鏈會在微秒至毫秒內折疊成一個穩(wěn)定的三維結構。氨基酸長鏈如何自發(fā)地折疊成三維結構，是一個長期困擾科學家的問題。因其重要性和高難度，蛋白質折疊被稱作現(xiàn)代分子生物學“皇冠上的明珠”。對科學家來說，測定氨基酸序列相對容易，但解析蛋白質結構的難度很大，因為蛋白質結構取決于幾千個氨基酸各個原子間的相互作用力。根據(jù)已知氨基酸序列，用計算機預測蛋白質結構的運算量，連世界上最快的超級計算機也很難承受。

那么，“阿爾法折疊2”為何能根據(jù)氨基酸序列，準確預測蛋白質結構呢？萊維特說：“有三根柱子支撐著它的成功?！钡谝桓樱菍嶒炆飳W家用X光晶體衍射、冷凍電鏡等設備測定了一大批蛋白質的結構，給人工智能系統(tǒng)提供了機器學習的大數(shù)據(jù)。第二根柱子，是氨基酸序列測定等測序技術的成熟。第三根柱子，就是萊維特等計算生物學家的理論計算成果，他們開發(fā)了很多算法，用來預測蛋白質結構。此外，谷歌的強大算力和大規(guī)模研發(fā)團隊，也是“阿爾法折疊2”實現(xiàn)科技革命的原因。

“阿爾法折疊2”預測（藍色）和實驗測定（綠色）的蛋白質結構幾乎完全吻合。來源：DeepMind

這一科技革命將引發(fā)什么產(chǎn)業(yè)變革？馬劍鵬表示，人工智能系統(tǒng)有望大幅提高新藥研發(fā)的速度?！靶》肿踊瘜W藥的作用靶點大部分在蛋白質上，這類藥物的研發(fā)離不開蛋白質結構解析。過去，生物學家用X光晶體衍射、冷凍電鏡等設備測定蛋白質結構，耗時長、難度大。如果人工智能系統(tǒng)今后成為主角，解析結構的時間會明顯縮短。”

人工智能系統(tǒng)還能幫助科學家設計自然界不存在的蛋白質，研制出各種新蛋白材料，用于化工、能源、環(huán)保等行業(yè)，一定程度上不再受大自然的束縛。

諾獎得主夫婦與上海有緣

面對如此廣闊的應用前景，上海正在加快基礎研究步伐。2018年10月，復旦大學復雜體系多尺度研究院揭牌成立，它的一個重要研究方向，就是用計算生物學方法預測蛋白質結構。如今，研究院的實驗室已經(jīng)建成，萊維特、馬劍鵬領銜的科研團隊開始了前沿探索。

復旦大學科研人員在操作冷凍電鏡。

受疫情影響，萊維特去年在滬時間較短。作為世界頂尖科學家協(xié)會副主席，他出席了2020第三屆世界頂尖科學家論壇。今年3月，他再次來滬，計劃在上海工作7個月以上。

“我和上海很有緣分，不僅在復旦擔任榮譽院長，還與太太在上海舉行了婚禮。”萊維特笑道。他和太太蘇珊都是猶太人，蘇珊曾是北京大學老師，非常熱愛中國文化。2019年，兩人在上海的一座猶太教堂結婚?！澳阒溃芏嗒q太人曾落戶上海，我在這里有一種家的感覺?！?

這座城市的開放，也給萊維特留下了深刻印象?！叭ツ甑氖澜珥敿饪茖W家論壇上，上海市領導說，要以更加開放的姿態(tài)融入全球科技創(chuàng)新網(wǎng)絡。這句話很有道理，我們正在為復旦大學復雜體系多尺度研究院物色、引進國內外科學家。上海很適合外國人居住，有了智能手機軟件，即使不懂中文，我們也能無障礙生活?！?

加強計算生物學人才培養(yǎng)

在第二故鄉(xiāng)開展蛋白質折疊研究，這位諾獎得主對未來充滿期待。他深有感觸地告訴記者：“新冠疫情讓我們意識到了健康有多么重要，提高全民健康水平，是減少疫情威脅的一個重要途經(jīng)。在這方面，機器學習等人工智能技術將發(fā)揮越來越重要的作用?！?

在上海市政府的支持下，復旦大學復雜體系多尺度研究院配置了國際一流的冷凍電鏡集群，開發(fā)了一系列名為“作品折疊”（OPUS-Fold）的蛋白質結構預測軟件。在我國結構生物學領域，復旦團隊的強項是側重算法開發(fā)，通過計算生物學與實驗生物學的有機結合，提高蛋白質結構的精度，從而促進創(chuàng)新藥物開發(fā)、蛋白質設計等研究。

萊維特希望上海市政府繼續(xù)支持復旦團隊，通過科研項目資助他們優(yōu)化算法，使“作品折疊”預測蛋白質結構的準確率早日逼近乃至超越“阿爾法折疊”。

邁克爾·萊維特接受 記者采訪。

除了經(jīng)費投入，這個領域還需要一大批計算生物學人才。馬劍鵬指出，無論是上海還是全國，計算生物學人才都十分緊缺，國內一些高?？烧{整學科布局，加快培養(yǎng)這個學科交叉領域的青年科研人員?！坝嬎闵飳W涉及數(shù)學、物理、化學、生物、計算機等多個學科，需要復合型人才，也需要多學科人才跨單位組建團隊，開展聯(lián)合攻關?！?

本科教育是人才培養(yǎng)的基礎，高?？蛇M一步將計算機科學、人工智能算法納入生物學本科教學體系，為計算生物學培養(yǎng)更多的后備人才。“這個領域的優(yōu)秀人才需要10年以上的知識和經(jīng)驗沉淀，要有‘板凳甘坐十年冷’的精神?！瘪R劍鵬說。另一方面，這個領域的產(chǎn)業(yè)化“風口”已經(jīng)到來，人工智能新藥開發(fā)企業(yè)正在全球涌現(xiàn)，給科學家的成果轉化和創(chuàng)業(yè)帶來了機遇。

萊維特和馬劍鵬建議，“十四五”時期，上海應進一步加強計算生物學基礎研究和人才培養(yǎng)，加速科技成果轉化，力爭搶占“人工智能+生物醫(yī)藥”這個科技制高點。