近年來，人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，其影響開始推廣到生物制造領(lǐng)域，尤其是在其核心“芯片”蛋白質(zhì)的設(shè)計方面，發(fā)揮了巨大的作用。2016年，《科學(xué)》雜志將蛋白質(zhì)計算設(shè)計遴選為年度十大科技突破。2017年，美國化學(xué)會將人工智能設(shè)計新型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)列為年度八大科學(xué)突破之首。通過人工智能技術(shù)，預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、設(shè)計蛋白質(zhì)功能，可以極大的擴(kuò)展人工改造生命體的應(yīng)用場景，有望變革性的推動綠色生物制造的發(fā)展。 

　　近期，中國科學(xué)院微生物研究所的吳邊團(tuán)隊通過使用人工智能計算技術(shù)，構(gòu)建出一系列的新型酶蛋白，實現(xiàn)了自然界未曾發(fā)現(xiàn)的催化反應(yīng)；并在世界上首次通過完全的計算指導(dǎo)，獲得了工業(yè)級微生物工程菌株，取得了人工智能驅(qū)動生物制造在工業(yè)化應(yīng)用層面的率先突破。 

　　 -氨基酸是一大類非蛋白質(zhì)氨基酸，具備多樣的特殊生物活性，被應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)。除此之外， -氨基酸還被廣泛應(yīng)用于重要活性天然產(chǎn)物和藥物合成中。 -內(nèi)酰胺抗生素、重磅藥物紫杉醇（抗癌藥物），西格列?。ㄌ悄虿∷幬铮┘熬S生素B₅等多種具有巨大市場銷售額的明星分子均需要 -氨基酸作為合成單元。 -氨基酸的合成長期以來一直依賴于過渡金屬催化的化學(xué)途徑，需要昂貴的催化劑、繁瑣的保護(hù)與去保護(hù)步驟以及苛刻的反應(yīng)條件。這些傳統(tǒng)化學(xué)合成工藝為環(huán)境帶來了巨大的壓力。因此，設(shè)計 -氨基酸的新型綠色合成途徑成為了合成領(lǐng)域的一項重大挑戰(zhàn)。 

　　面向這一挑戰(zhàn)，吳邊團(tuán)隊選擇了碳-碳雙鍵的不對稱氫胺化路徑進(jìn)行研究。不對稱氫胺化反應(yīng)可以把兩種來源豐富、結(jié)構(gòu)多樣的原料直接結(jié)合，具備極高的原子經(jīng)濟(jì)性，無需附加其他輔劑，是美國化學(xué)會提出的最具“綠色化學(xué)和綠色工業(yè)”特性的十大反應(yīng)之一。然而，無論是人工設(shè)計的化學(xué)催化劑或是天然存在的生物催化劑都不能直接催化該反應(yīng)。因此，吳邊團(tuán)隊采用了人工智能蛋白質(zhì)設(shè)計技術(shù)，綜合選用一系列計算方法，對天冬氨酸酶進(jìn)行了分子重設(shè)計，成功獲得了一系列具有絕對位置選擇性與立體選擇性的人工 -氨基酸合成酶。隨后，該團(tuán)隊構(gòu)建出能夠高效合成 -氨基酸的工程菌株。通過發(fā)酵工藝優(yōu)化與轉(zhuǎn)化工藝優(yōu)化，該生物催化體系可一步實現(xiàn)相應(yīng) -氨基酸的合成。該人工設(shè)計的反應(yīng)體系體現(xiàn)了高效率、高原子經(jīng)濟(jì)性等巨大優(yōu)勢，底物濃度達(dá)到300 g/L，實現(xiàn)了99％轉(zhuǎn)化率，99％區(qū)域選擇性，以及99％立體選擇性，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到了工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。除了生物催化在上游轉(zhuǎn)化的固有優(yōu)勢之外，該工藝的下游提取過程也極具綠色特性，可通過直接結(jié)晶和離子交換等適用于工業(yè)生產(chǎn)的的簡單分離純化方法獲得產(chǎn)物，避免了大量有機(jī)溶劑及色譜分離步驟。 

　　該項研究成果為人工智能技術(shù)在工業(yè)菌株設(shè)計方向的成功案例，驗證了其科學(xué)理論基礎(chǔ)，也將為人工智能與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的互作融合打開新局面。除了在科學(xué)層面取得的重要進(jìn)展，該團(tuán)隊還積極推進(jìn)科研成果的落地轉(zhuǎn)化，通過與企業(yè)的合作，該項技術(shù)已經(jīng)通過中試與全尺寸生產(chǎn)工藝驗證，在近期完成了千噸級的生產(chǎn)線建設(shè)，相關(guān)產(chǎn)品潛在市場超過30億，有望在紫杉醇、度魯特韋與馬拉維若等抗癌與艾滋病治療藥物的生產(chǎn)過程中大幅降低生產(chǎn)成本。 

　　相關(guān)成果于2018年5月在自然雜志子刊Nature Chemical Biology發(fā)表，微生物研究所李瑞峰博士，宋璐助理研究員與荷蘭格羅寧根大學(xué)Wijma博士為共同第一作者，格羅寧根大學(xué)Janssen教授與吳邊研究員為通訊作者。該項研究的工業(yè)轉(zhuǎn)化過程還得到了微生物研究所陶勇團(tuán)隊的大力支持與幫助。近年來，微生物研究所的相關(guān)團(tuán)隊在微生物應(yīng)用領(lǐng)域展開了持續(xù)深入的研究，尤其是在人工智能驅(qū)動的生物制造、復(fù)雜基因網(wǎng)絡(luò)可預(yù)測組裝、新型疫苗與抗體工程、模塊化生物傳感器設(shè)計等研究方向取得了一系列具有重要學(xué)術(shù)價值與工業(yè)影響力的成果。目前在Nature Chemical Biology，Science Translational Medicine, Nature Communications, Cell Research, PNAS，ACS Catalysis，Metabolic Engineering等國際期刊發(fā)表了一系列重要工作。此外，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，相關(guān)團(tuán)隊與工業(yè)界密切合作，微生物酶法生產(chǎn)海藻糖、微生物制造 -氨基酸、新型寨卡滅毒疫苗等多個項目已實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。