蛋白質(zhì)“智造”時(shí)代來(lái)臨 | 活力中國(guó)調(diào)研行
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2026-07-08 20:47:00
在上海張江科學(xué)城，有一座被稱(chēng)為全球首個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域綜合性大科學(xué)裝置的地方。它就是國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施。盛夏時(shí)節(jié)，活力中國(guó)調(diào)研行采訪(fǎng)團(tuán)走進(jìn)這里，記者看到，一臺(tái)臺(tái)精密儀器，正在將生命科學(xué)的未來(lái)圖景徐徐展開(kāi)。
圖說(shuō)：國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施。攝影：陶磊（下同）
一天合成一萬(wàn)種，蛋白質(zhì)制造提速了
提到蛋白質(zhì)，很多人第一反應(yīng)是體檢報(bào)告上那幾行數(shù)字。事實(shí)上，蛋白質(zhì)與人類(lèi)的疾病、衰老、健康息息相關(guān)。目前科學(xué)家真正弄清楚結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，也不過(guò)20到30萬(wàn)個(gè)，相對(duì)于自然界中蛋白質(zhì)的龐大數(shù)量，可以說(shuō)是九牛一毛。
過(guò)去，研究蛋白質(zhì)是件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事?？茖W(xué)家要制造一種蛋白質(zhì)，必須借助大腸桿菌或酵母等活細(xì)胞作“代工廠(chǎng)”，周期長(zhǎng)、限制多，篩選靠“運(yùn)氣”，效率并不高。
現(xiàn)在，這一切正在被一臺(tái)機(jī)器改變。
在蛋白質(zhì)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)，一臺(tái)名為D2Pi-2.0的自動(dòng)化裝置格外引人注目。這是全球首臺(tái)基于D2P無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成技術(shù)的高通量體外蛋白合成智能制造裝置，實(shí)現(xiàn)了100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的突破。
“不再需要活細(xì)胞，只需在試管中加入原料和DNA模板，就能像工廠(chǎng)流水線(xiàn)一樣精準(zhǔn)產(chǎn)出?！钡鞍踪|(zhì)設(shè)施主任吳家睿介紹，這臺(tái)裝置單日可完成上千種蛋白質(zhì)的全自動(dòng)合成，平臺(tái)日通量可達(dá)萬(wàn)級(jí)蛋白樣品。換句話(huà)說(shuō)，過(guò)去可能需要幾年才能完成的工作量，只要一天。
目前，該裝置已完成物理層面的搭建和安裝，正處于系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵階段，即將正式投入使用。
圖說(shuō)：AI蛋白質(zhì)智造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。
AI應(yīng)用讓蛋白質(zhì)研究進(jìn)入新時(shí)代
讓蛋白質(zhì)研究真正提速的，除了這臺(tái)硬核裝置，還有人工智能的深度介入。
近年來(lái)，AlphaFold等AI模型在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域取得了重大突破，讓科學(xué)家可以通過(guò)算法在計(jì)算機(jī)里設(shè)計(jì)出成千上萬(wàn)種自然界本不存在的蛋白質(zhì)。但吳家睿坦言，“如果設(shè)計(jì)只停留在紙面上，那就是’紙上談兵’。”
這正是蛋白質(zhì)設(shè)施發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。設(shè)施通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備，將AI設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)變成實(shí)體，再利用核磁共振、冷凍電鏡等高端儀器進(jìn)行濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建起一個(gè)“干濕結(jié)合”的閉環(huán)。
圖說(shuō)：科研人員在給核磁共振譜儀放入蛋白質(zhì)樣品。
一方面，實(shí)驗(yàn)提供真實(shí)數(shù)據(jù)，AI擴(kuò)大預(yù)測(cè)能力；另一方面，AI提出新的可能，實(shí)驗(yàn)再去驗(yàn)證。值得一提的是，AlphaFold等模型的突破，離不開(kāi)PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)長(zhǎng)期積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，AI就缺少可以學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的“教材”。截至目前，蛋白質(zhì)設(shè)施的中國(guó)團(tuán)隊(duì)已累計(jì)注釋審校PDB數(shù)據(jù)條目超過(guò)11950個(gè)，為全球AI蛋白質(zhì)研究貢獻(xiàn)了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
“基礎(chǔ)研究和人工智能不是誰(shuí)取代誰(shuí)，而是在彼此推動(dòng)中把科學(xué)研究帶到更深處。”這一判斷，正在蛋白質(zhì)設(shè)施里一天天變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。吳家睿將蛋白質(zhì)設(shè)施比作蛋白質(zhì)研究的綜合型“三甲醫(yī)院”，依托九大技術(shù)系統(tǒng)，為蛋白質(zhì)這個(gè)生命大分子提供全方位的研究手段。自2015年開(kāi)放運(yùn)行以來(lái)，設(shè)施已累計(jì)服務(wù)全國(guó)超過(guò)2500個(gè)研究團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)用戶(hù)150余家，支撐科研人員在《自然》《科學(xué)》《細(xì)胞》等頂級(jí)期刊發(fā)表了數(shù)千篇論文。
人造血、甜蛋白，大科學(xué)裝置或?qū)⒏淖內(nèi)粘Ｉ?/span>
大科學(xué)裝置聽(tīng)起來(lái)遙不可及，但它的研究成果，其實(shí)離普通人并不遠(yuǎn)。吳家睿分享了兩個(gè)生動(dòng)的案例。
第一個(gè)，是“人造血紅蛋白”。 通過(guò)無(wú)細(xì)胞合成技術(shù)，科研人員生產(chǎn)出了人造血紅蛋白。這種“人造血”不受血型限制，無(wú)需繁瑣的配型，還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)急救輸血具有重要意義。目前，該項(xiàng)目已進(jìn)入臨床研究階段。
第二個(gè)，是“甜蛋白”。 為了解決代糖食品的健康爭(zhēng)議，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)AI智造合成了一種甜蛋白，甜度高達(dá)蔗糖的24萬(wàn)倍，同時(shí)具備零熱量、不升血糖、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)。目前，這種甜蛋白已被應(yīng)用于兒童漱口水等日化產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)——既滿(mǎn)足了孩子對(duì)甜味的喜愛(ài)，又無(wú)需擔(dān)心糖分?jǐn)z入。蛋白質(zhì)研究的突破，正在以肉眼可見(jiàn)的速度轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生活中的改變。
2025年，蛋白質(zhì)設(shè)施迎來(lái)正式開(kāi)放的第十年。如果說(shuō)過(guò)去十年的關(guān)鍵詞是“認(rèn)知”，是弄清楚蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是什么；那么新的十年，關(guān)鍵詞已經(jīng)換成了“創(chuàng)造”，按需設(shè)計(jì)、合成自然界不存在的蛋白質(zhì)，并將其真正用于解決人類(lèi)的實(shí)際問(wèn)題。