从基因片段、DNA分子、基因调控网络与旗子暗记传导路径到细胞的人工设计与合成，合成生物学正在快速发展。环绕细胞构造和功能方面的实质问题，以及细胞的工程改造、人工细胞等前沿科技，第五届天下顶尖科学家国际联合实验室论坛“探究合成细胞”分论坛今天下午在上海科学会堂举行，对该领域确当下进展和未来发展进行了热烈磋商。
2013年诺贝尔生理学或医学奖得主，耶鲁大学细胞生物学系系主任詹姆斯·罗斯曼，1991年诺贝尔生理学或医学奖得主、马克斯·普朗克生物物理化学研究所所长兼科学委员厄温·内尔，2014年诺贝尔化学奖得主、马克斯·普朗克多学科科学研究所主任斯特凡•W•赫尔，2012年拉斯克根本医学研究奖得主、霍华德休斯医学研究所副所长、贾内利亚研究园区实行主任罗纳德·维尔，斯隆研究奖得主、芝加哥丰田打算技能研究所终生教授许锦波，中国科学院院士、天津大学副校长元英进，德国工程院院士、西湖大学合成生物学与生物智造中央创始主任曾安平，浙江大学生命科学学院百人操持研究员邵洋洋等科学家，分别作报告。论坛由中国科学院院士、上海交通大学化学化工学院院长樊春海主持。
人工智能在预测和设计蛋白质方面
能够做到和不能做到什么？
最近归国的构造生物学家颜宁和她的团队以解析蛋白质有名。这项事情的速率眼下正被谷歌旗下DeepMind的第二代深度学习算法Alpha Fold2所更新。用打算的方法研究蛋白质，尤其是利用 AI 技能来预测蛋白质的三维构造和设计一些自然界中不存在的蛋白质，也是许锦波在过去很长一段韶光里的事情。他先容，过去30年里，人工智能在预测蛋白质构造方面做了很多很好的事情，改变了许多微生物学家的事情方法。如2020年DeepMind基于2016年许锦波开拓出的第一代深度学习预测蛋白质三维构造的算法开拓出Alpha Fold2，根据基因序列成功预测了蛋白质的三维构造。蛋白质设计可运用于预防、诊断和治疗疾病，也可用于工业、农业和环境保护领域。此外，利用AI来创建或优化一些酶也非常有前景。但由于基于测序的方法是非常浩大的工程，仍有不少问题是AlphaFold2所无法办理的。例如：预测多个蛋白质或抗原、抗体是如何结合的；进行蛋白质的设计或优化蛋白质的功能产生变异以实现所要得到的功能；当蛋白很大、有多个域的时候，预测所有域的朝向；预测没有“兄弟姐妹”的孤儿蛋白的构造等。
在不同情境下设计蛋白质面临不同的问题，比如有的是为了优化氨基酸序列以得到特定的蛋白质形状，有的希望设计出来的蛋白质与不同的靶向受体结合，因而须要不同的人工智能算法来设计不同的蛋白质。据悉，许锦波的实验室目前正在研究用于治疗的抗体、小蛋白和生物传感器，已经能够用人工智能设计含有超过300个氨基酸的蛋白质主干，而在过去，科学界只能设计一些小蛋白质。
蛋白质在细胞中并不是单独起浸染，多数情形下它通过与其它蛋白质分子或与DNA、RNA等其它大分子相互浸染来实现某一功能。这意味着，真正要理解蛋白质的功能，还须要理解单个蛋白质与其它分子的结合办法。例如，当两个蛋白质组合在一起时，其功能是如何实现的；当蛋白质和 DNA、RNA 组合在一起时，是如何发生浸染的；抗体和抗原又是如何相互浸染的。用AI算法同构抗体蛋白的CDR区域，可改进抗体与抗原之间的亲和力。
人工设计出来的蛋白质相对付自然界中原本就存在的蛋白质而言，更加稳定，在没有能量或高温等极度情形下，也能实现它的某项功能。此外，也可以用人工智能来设计氨基酸序列，使其与主干符合，用于改进酶、抗体等特定蛋白的稳定性。许锦波说，人工智能技能对付不同大小、不同构象的蛋白质设计起到了非常主要的浸染，未来还可帮助设计更多、更有用的蛋白质，包括可用于减少污染、改进环境的新的生物质料。他的团队目前已能很好地仿照超过50%的自然界中蛋白质序列。
过去，为了演习AI模型，常日须要很多的实验室数据，许锦波表示，根据他们团队的新算法设计的演习模型，已经可以不须要很大量的数据，较少的数据也可以得到很好的结果。过去，抗体通过与特定靶标蛋白结合来发挥浸染，对抗传染或癌症等疾病，但由于抗体是大分子蛋白质，制造难度和本钱很高，且缺少稳定性，由华盛顿大学蛋白质设计研究所所长戴维·贝克带领研究职员创造的一种生产蛋白质药物的新方法利用打算机设计可以针对体内主要蛋白质（如胰岛素受体和病毒的表面蛋白）的小分子结合蛋白。这种产生与所需的任何靶标蛋白紧密结合的新蛋白质的能力，是药物开拓和更广泛的分子生物学中领域的一种范式转变。该进展或有助于开拓应对诸多疾病的新疗法，包括癌症、糖尿病、新冠等。
合成生物和生物制造
可在浩瀚领域为应对环球寻衅
发挥浸染
厄温·内尔表示，科学界有利用细胞旗子暗记网络来才创造生命的任务。1970年代的时候，人们只知道5—10种不同类型的离子通道，通过技能改进及通道研究，现在科学家创造在很多类型的细胞中都有离子通道，它们发挥着不同的浸染，通过电压、神经递质、应力、气味、冷热等，都可能激活离子通道。
曾安然指出，未来50年里环球面临能源、水、食品、环境和气候、贫穷、胆怯主义和战役、疾病、教诲、民主、人口等十大寻衅，合成生物和生物制造在浩瀚领域对付应对这些寻衅都非常主要。人们非常须要有效的细胞工厂和合成细胞。现在以糖为原材料进行的生物制造是不可持续的，未来可能须要用二氧化碳中的碳原子来取代糖。现在用微生物、植物来固定二氧化碳还不是很高效，这方面也须要探索新的路径。
邵洋洋提出，如果可以克隆一些纠正性的基因，将之输入到特定的细胞中，再在基因组中精准敲除，大概有望治疗一些并不罕见的染色体疾病。
虽然论坛的主题为“探究合成细胞”，2013年诺贝尔生理或医学奖得主詹姆斯•罗斯曼还是“不留情”地给与会同行泼了一点点“冷水”。他认为，人们眼下对“合成生物学”和“合成细胞”这两个观点的理解可能还有些混乱，合成细胞近期大概还无法实现。