從日常生活到科學(xué)研究，如今，我國人工智能技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)和算力資源日益豐富。應(yīng)用需求是技術(shù)進步的重要推動力，新技術(shù)往往在“用”中不斷完善、成熟。為推動人工智能落地，日前，科技部等六部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快場景創(chuàng)新以人工智能高水平應(yīng)用促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，著力打造若干重大場景，拓展人工智能應(yīng)用，高水平科研活動便是其中之一。
作為賦能手段，人工智能如何帶來新的研究方法，又如何為經(jīng)濟發(fā)展注入“智慧動能”？
融合緊密，助力科研更加高效、精準(zhǔn)
諸多學(xué)科中，生命科學(xué)研究與人工智能融合較為緊密，其中一個熱門方向是預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
蛋白質(zhì)具有三維結(jié)構(gòu)，它的一級結(jié)構(gòu)（序列）由多個氨基酸串聯(lián)而成。三維結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)在細胞中的功能，許多疾病都是因體內(nèi)重要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常而起。因此，繪制出人體內(nèi)重要蛋白質(zhì)的“三維地圖”，才能據(jù)此找到藥物作用于人體的靶點，從而研制出精準(zhǔn)有效的新藥。
傳統(tǒng)上，科學(xué)家利用冷凍電鏡、X射線、核磁共振等方法觀測蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，但這一過程耗時費力且花銷不菲?！耙岳鋬鲭婄R為例，布置一個觀測平臺耗資數(shù)千萬元，科研人員還要用很長時間才能繪制出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)?！卑俣蕊w槳螺旋槳生物計算平臺負責(zé)人何徑舟表示。
由于難度高、實驗周期長、成本高，通過傳統(tǒng)方法觀測到的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，至今數(shù)量非常有限。相比之下，氨基酸測序容易得多。為什么不能根據(jù)氨基酸序列來預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)？早在1972年，美國生化學(xué)家克里斯蒂安?安芬森曾在諾貝爾獎的獲獎感言中提出這一設(shè)想。
從蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)出發(fā)精準(zhǔn)預(yù)測其三維結(jié)構(gòu)，正是人工智能所擅長的。然而，人類試圖解析蛋白質(zhì)組的工作進展緩慢。據(jù)解釋，這一方面因為現(xiàn)有的生物數(shù)據(jù)量小，質(zhì)量不高，深度學(xué)習(xí)缺乏足夠的樣本；另一方面因為人工智能算法成熟也需要過程。
近些年，隨著生物數(shù)據(jù)劇增以及人工智能技術(shù)的優(yōu)化，科學(xué)家建立起更精準(zhǔn)的預(yù)測模型。2020年12月，在一場比賽中，人工智能程序“阿爾法折疊”大放異彩，它預(yù)測的結(jié)果與大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)差不多。這證明，預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，人工智能已經(jīng)相當(dāng)精準(zhǔn)。
如今，借助人工智能，曾經(jīng)可能耗時數(shù)年的工作，現(xiàn)在幾分鐘就能完成，還能解析傳統(tǒng)方法不能觀測到的一些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
據(jù)了解，利用人工智能，科研人員預(yù)測出了約100萬個物種的超過2億種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，涵蓋科學(xué)界已編錄的幾乎每一種蛋白質(zhì)。這將對結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，可能引發(fā)生命科學(xué)研究的范式變革，并提升人類對生命的理解。
前景廣闊，在生命科學(xué)等多領(lǐng)域發(fā)揮作用
人工智能進入生命科學(xué)研究的視野，生物醫(yī)藥行業(yè)的需求是重要推動力。據(jù)介紹，在生物制藥行業(yè)，每投入10億美元能夠研發(fā)出的藥物種類已不斷下降。新藥研發(fā)難度越來越大，周期越來越長，急需新方法突圍，人工智能被寄予厚望。
不只是加速新藥研發(fā)，人工智能正在生命科學(xué)越來越多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
今年初，國家超算成都中心運行的一個蛋白質(zhì)預(yù)測模型，幫助四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究所團隊成功解析PGS1調(diào)控種子發(fā)育影響產(chǎn)量的分子機制，為培育高產(chǎn)高質(zhì)小麥材料提供理論依據(jù)?？蒲腥藛T表示，如果沒有人工智能，很難高效做出這一突破性成果。
科研人員還嘗試將人工智能技術(shù)引入疫苗設(shè)計中。比如，相比于蛋白疫苗、DNA疫苗等，mRNA（信使核糖核酸）疫苗具有大規(guī)模生產(chǎn)快、抗感染性好等優(yōu)勢，但穩(wěn)定性和免疫原性相對較差。補上這些短板，科研人員一直希望通過優(yōu)化mRNA疫苗序列設(shè)計，使其更穩(wěn)定，免疫原性更強。更高效、成本更低，人工智能的介入有望為疫苗研發(fā)提供新思路。
精準(zhǔn)治療也是人工智能應(yīng)用的舞臺。通過機器學(xué)習(xí)的方法，理論上，人工智能可以解碼人體免疫系統(tǒng)，更精準(zhǔn)地探尋到一些疾病的復(fù)雜免疫規(guī)律，從而幫助人們理解疾病，更高效率、更有針對性地開發(fā)治療藥物和方法。
隨著基因組學(xué)研究帶來的人體數(shù)據(jù)、新藥研發(fā)積累的知識增加，加上機器學(xué)習(xí)算法不斷迭代，業(yè)內(nèi)專家認為，在生命科學(xué)領(lǐng)域，人工智能前景廣闊。一些科研人員甚至設(shè)想依靠強大的生物計算引擎，利用大量的生物數(shù)據(jù)，構(gòu)建統(tǒng)一的知識圖譜，以此推動對生命健康的認識。
場景豐富，推動應(yīng)用邁向更高水平
走進生命科學(xué)研究，人工智能在帶來新方法的同時，也有望開啟生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)新時代。
業(yè)內(nèi)專家表示，抓住智能化藥物設(shè)計的新機遇，加強在人工智能+生物醫(yī)藥布局，有助于我們在新藥研發(fā)的新賽道上先行一步。
雖然人工智能+生物醫(yī)藥發(fā)展迅速，但總體上才剛剛起步。何徑舟認為，生物醫(yī)藥行業(yè)有數(shù)百年歷史，有成熟、完善的研究流程、產(chǎn)業(yè)鏈條和分工，人工智能改善的只是其中一些環(huán)節(jié)，“生物醫(yī)藥事關(guān)生命健康，行業(yè)發(fā)展要穩(wěn)步推進，保持理性和敬畏?！苯刂聊壳埃驔]有一款完全依靠人工智能發(fā)現(xiàn)的新藥。一些借助人工智能開發(fā)的產(chǎn)品，離真正的上市還有很長一段距離。
看到人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取、實驗預(yù)測、結(jié)果分析等方面的優(yōu)勢，數(shù)學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)和空間科學(xué)等學(xué)科也紛紛擁抱人工智能。
鋰電池性能因材料組成不同而有差異?；貞?yīng)豐富多樣場景對鋰電池的需求，科研人員希望通過優(yōu)化材料組合，設(shè)計出合適的鋰電池體系。
“以前，設(shè)計材料體系主要靠人工實驗，效率非常低?！鼻迦A大學(xué)化學(xué)工程系教授張強說，眼下，他正帶領(lǐng)團隊用人工智能預(yù)測分子性質(zhì)，從而更高效、精準(zhǔn)地找到能源材料，設(shè)計出更有價值、更安全的電池體系。
據(jù)測算，我國人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過4000億元，企業(yè)數(shù)量超過3000家。得益于海量數(shù)據(jù)處理帶來的旺盛需求、豐富應(yīng)用場景提供的試驗土壤，我國在計算機視覺、語音識別等領(lǐng)域走在世界前列。
業(yè)內(nèi)專家建議，推動人工智能應(yīng)用邁向更高水平，有必要發(fā)揮我國應(yīng)用場景豐富的優(yōu)勢。圍繞高水平科研活動打造重大場景，將會推動我國人工智能應(yīng)用走深走實，為經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展注入“智慧動能”。
