AI造物里程碑：人类首次利用AI从头设计出全新的酶，可实现超高性能且数量无限制｜科研圈日报
· 蛋白质计算设计
AI 造物里程碑：人类首次利用 AI 从头设计全新的酶，可实现超高性能且数量无限制
图片来源：Unsplash
生物体利用酶在温和的条件下实现物质的分解或合成，往往不必依赖有毒化合物或极端高温条件等，生物体因此被誉为“完美化学家”。然而，由于酶反应机制的复杂多变，对其进行合成设计是生物化学中最具挑战性的任务之一。
2 月 22 日，美国华盛顿大学生物蛋白质设计研究所（Institute for Protein Design）主任 David Baker 团队在《自然》发表论文，描述了一种使用深度学习从头设计合成自然界中不存在的高效荧光素酶的方法。David Baker 是蛋白质计算设计领域的开创者和领军人物之一，这是人类首次利用 AI 从头设计合成出一种全新的酶。
Baker 团队利用其开发的一种基于深度学习的新蛋白质设计策略“family-wide hallucination”，通过将无约束的从头设计和固定骨架序列设计方法进行整合，可以生成数量无限的具有期望折叠的全新蛋白质。团队选择荧光素作为反应底物，筛选出 NTF2 样折叠的目标拓扑结构，通过对该折叠可变区域的无约束从头设计以及结构引导的序列优化，设计了可选择性催化发光的人造荧光素酶。实验室测试证实，表现最好的一款酶 LuxSit 只有 117 个残基，比任何已知的荧光素酶都小，该酶与合成的荧光素底物二苯基特拉嗪 (DTZ) 一起孵育可在 480 纳米处发出蓝色荧光，这与底物的化学发光光谱一致，且该蛋白质在接近沸腾的条件下仍保持部分折叠；进一步优化后，它甚至可以催化出裸眼可见的高强度荧光。
“我们能够在计算机上从头设计出具有高性能的酶，而不用依赖自然界中发现的酶。这一突破意味着原则上我们可以设计用于几乎任何化学反应的定制酶”，研究的共同主要作者 Andy Hsien-Wei Yeh 说。此次利用 AI 实现从头设计合成荧光素酶是蛋白质设计领域的重要一步，意味着 Al 驱动的酶设计将在生物技术、医学、环境修复和制造等领域发挥更大作用。（Baker Lab，华盛顿大学医学院，Nature）
· 国际合作
开战一年后，俄罗斯的国际科研合作模式发生变化
2 月 24 日发表在《自然》新闻（Nature News）上的一篇文章分析了 Scopus 数据库中论文的共同署名的情况后发现，在 2022 年，俄罗斯与中国和印度合作撰写的国际合作论文的比例有所增加，中国、印度与俄罗斯的国际合作论文份额居于第三和第七位；而俄罗斯与美国或德国作者合作撰写的比例显著下降，尽管它们仍是与其合著论文最多的两个国家。在与俄罗斯合作最多的 25 个国家中，哈萨克斯坦和伊朗是仅有的另外两个合著论文数量份额增加的国家。与此同时，乌克兰大幅减少了与俄罗斯的学术联系，似乎增加了与波兰的研究联系。
目前，国际期刊一般不会直接将俄罗斯作者的论文弃置不顾，一些研究人员和期刊也警告不要不分青红皂白地孤立俄罗斯科学家。但爱思唯尔旗下期刊 Journal of Molecular Structure 已经表示，它将不再考虑来自俄罗斯机构科学家的手稿。
英国曼彻斯特大学的科学政策研究员 Kieron Flanagan 表示，合著论文数量并不能完全代表国际合作的的模式，但数据确实显示出俄罗斯与西方的学术合作经历的长期下降，而这一趋势在 2022 年加速发展。他认为，战争使得各国越发重视科研合作的竞争性地缘政治因素，出口管制在逐渐加强，对某些国家安全敏感的海外合作的限制也日益增加。（Nature News）
· 生物医学工程
清华团队开发可快速构建含血管网络和神经系统的心室模型的3D打印技术
近日，清华大学机械系熊卓副教授、张婷副研究员课题组研究开发了一种逐级悬浮 3D 打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template, 简称 SPIRIT）技术，通过拓展悬浮生物 3D 打印技术的边界，该技术可快速构建含自由脉管网络的复杂器官，并成功打印了含心血管系统、电传导系统和神经系统的心室模型，有望加速 3D 打印组织器官在医学领域的转化应用。
此前的技术虽然可以打印构建复杂的心脏腔室结构，但难以重现对心脏功能具有重要作用的脉管及传导系统。克服此类局限需要实现器官外部腔室几何结构和内部脉管系统的耦合构建。该课题组开发了在可逆墨水模板中进行逐级顺序打印的技术——SPIRIT，并使用了一种能够同时作为打印墨水和悬浮介质，且具有剪切减薄和自愈合行为的生物材料——基于微凝胶的双相生物墨水。SPIRIT 技术打印步骤可概括为：首先，在悬浮介质中使用生物墨水打印构建组织和器官的复杂外部结构；其次，使用牺牲墨水（sacrificial ink，一种在 3D 打印过程中先被用于打印支撑结构，随后被移除以创造管道或空腔的材料）打印内部精细特征，获得自由形态的脉管网络；最后，通过原位交联使打印结构定型，同时去除悬浮介质和牺牲墨水获得含自由血管网络的复杂器官。相关论文 2 月 16 日发表于《先进材料》（Advanced Materials）。（光明日报）
· 人工智能
科技部：将把人工智能作为战略性新兴产业，继续给予大力支持
据科技部消息，2 月 24 日，国新办举行“深入实施创新驱动发展战略 加快建设科技强国 ”发布会，科技部高新技术司司长陈家昌在会上回答路透社记者提问时表示，ChatGPT 最近形成了一种现象级的应用，表现出很高的人机交互水平，表现出自然语言的大模型已经具备了面向通用人工智能的一些特征，在众多行业领域有着广泛的应用潜力。
陈家昌说，人工智能对社会经济的发展，具有渗透性、扩散性和颠覆性作用。特别是在科研端，人工智能为生物科学、材料科学、能源科学的一些研究提供了新的方法、新的途径，正在引领科研范式变革。从进展来看，国内学者提出了“神经形态完备性”理论，研发了异构融合类脑芯片，同时国内科研机构研发了中文多模态预训练模型、图文音三模态大模型，从技术水平来讲也都达到了国际先进水平。
陈家昌介绍了我国目前在人工智能领域广泛和深入的研发布局，并表示，下一步，科技部将把人工智能作为战略性新兴产业，作为新增长引擎，继续给予大力支持：
一是推动构建开放协同的人工智能创新体系，加快基础理论研究和重大技术攻关。 二是推动人工智能与经济社会深度融合，在重大应用场景中锤炼技术，升级迭代，培育市场。 三是推动建立人工智能安全可控的治理体系。 四是全方位推动人工智能开放合作。（科技部）
编写：綦懿、徐慧琳、胡月莲、张鑫洁
编辑：吴兰
封面图片：The He Lab, CC BY 3.0
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