2018年，在瑞典斯德哥爾摩諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮后，趙惠民（右）向?qū)?、?dāng)期諾獎(jiǎng)得主Arnold表示祝賀。受訪者供圖

凝視著手中的試管，又望向桌上那些依舊在運(yùn)轉(zhuǎn)的大大小小的實(shí)驗(yàn)儀器，趙惠民的心像被人用力攥著。他明白，已經(jīng)到了不得不放棄的時(shí)候。讀博第三年，學(xué)校資格考試的巨大壓力如海嘯般襲來，這項(xiàng)奮戰(zhàn)了兩年但依然沒走通的課題，被他親手按下了停止鍵。

事情雖已過去30年，但對(duì)美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授趙惠民而言，那時(shí)的痛苦仍然記憶猶新。

(相關(guān)資料圖)

趙惠民并未因一次羈絆而止步。“科學(xué)探索是無止境的，而且有很多的不可預(yù)測性，這就是做科研的魅力所在?！?3年間，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得累累碩果。

3月31日，趙惠民團(tuán)隊(duì)再次在《科學(xué)》發(fā)表論文。這回，他們發(fā)明了一種新的人工智能（AI）工具，可以根據(jù)酶的氨基酸序列預(yù)測酶的功能。就像ChatGPT使用文字?jǐn)?shù)據(jù)創(chuàng)建預(yù)測文本一樣，他們正在利用蛋白質(zhì)的語言預(yù)測它們的功能。

30多年后又回到原點(diǎn)

20世紀(jì)80年代流傳著一句順口溜：“窮清華，富北大，不要命的上科大?！壁w惠民就是“不要命的”那一個(gè)。

1987年，他以優(yōu)異成績從浙江嘉興一中考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）生物系。他對(duì)科研的興趣從這里萌生。

“那時(shí)候，中國科大的訓(xùn)練非常嚴(yán)格，學(xué)風(fēng)在高校中名列前茅，五年制教學(xué)課程任務(wù)重，科研氛圍很濃。”趙惠民告訴《中國科學(xué)報(bào)》。前3年他就掌握了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)。

后來，趙惠民成了施蘊(yùn)渝（1997年當(dāng)選中國科學(xué)院院士）的學(xué)生。彼時(shí)，施蘊(yùn)渝剛從國外進(jìn)修回來，率先在國內(nèi)開展蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的計(jì)算生物學(xué)研究。受老師指引，趙惠民開啟了分子動(dòng)力學(xué)方面的計(jì)算模擬研究。

為了開闊眼界、提升自己，本科畢業(yè)后，23歲的趙惠民在1992年到美國加州理工學(xué)院讀博，第一次接觸到了酶工程。從那以后，他便與酶結(jié)下了不解之緣。

酶有多重要呢？它是一種生物催化劑，在生命體系中扮演著關(guān)鍵角色，控制和調(diào)節(jié)各種代謝途徑，保障它們高效工作。

研究酶的人都希望把它的功能改造得更好，得到更高效、更穩(wěn)定、更優(yōu)質(zhì)的催化劑。趙惠民獨(dú)辟蹊徑，想預(yù)測酶的功能。

8年前，他的實(shí)驗(yàn)室自主建立了一套全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。6年前，他開始涉獵AI領(lǐng)域，想把AI技術(shù)與合成生物學(xué)、自動(dòng)化結(jié)合起來，以更快地改造酶工程或者代謝工程。在中國科大積累的計(jì)算模擬知識(shí)重新派上了用場。

“沒想到兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)30多年，又回到了原點(diǎn)?！壁w惠民感慨說，“可見，很多東西你學(xué)的時(shí)候覺得沒多大用，但說不定將來哪個(gè)時(shí)候就能發(fā)揮價(jià)值?！?/p>

趙惠民團(tuán)隊(duì)在2014年搭建了第一臺(tái)原型機(jī)，在2020年完成了強(qiáng)化版。一切正式起步。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用了3年時(shí)間，研發(fā)出被稱為CLEAN的AI工具。論文在線后，通過網(wǎng)絡(luò)界面，研究人員只需在搜索框中輸入序列就可以看到結(jié)果，如同使用搜索引擎一樣。

“我們不是第一個(gè)使用AI工具預(yù)測酶功能的，但我們是第一個(gè)使用這種被稱為對(duì)比學(xué)習(xí)的新深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測酶功能的。我們發(fā)現(xiàn)，這種算法比其他AI工具更準(zhǔn)確、更可靠、更靈敏。”趙惠民表示。

無論是生物學(xué)界、醫(yī)學(xué)界還是工業(yè)界，這種工具都將幫助研究人員快速識(shí)別合成化學(xué)物質(zhì)和材料所需的最合適的酶。

“投頂刊比較順的一次”

2022年10月8日，一切準(zhǔn)備就緒，趙惠民將論文投給了《科學(xué)》。有著豐富投稿經(jīng)歷的他，預(yù)感這次不會(huì)遭遇審稿人“刁難”，他對(duì)這項(xiàng)成果有信心。

果不其然，文章很快通過編輯這一關(guān)，進(jìn)入外審環(huán)節(jié)。不到兩個(gè)月，趙惠民就收到了審稿人的意見。

審稿人都給出了積極正面的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這項(xiàng)研究成果中的AI算法非常新穎。最關(guān)鍵的是，很多有關(guān)AI的文章幾乎都是用數(shù)據(jù)組測試AI工具有多好，而趙惠民團(tuán)隊(duì)的論文中不僅有計(jì)算機(jī)的論證，還提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

計(jì)算和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該工具不僅可以預(yù)測以前未表征的酶的功能，還可以糾正被領(lǐng)先軟件錯(cuò)誤標(biāo)記的酶，并正確識(shí)別具有兩種或多種功能的酶。

當(dāng)然，研究并非盡善盡美，審稿人還是提出了一些小意見。因?yàn)轭A(yù)測并非百分百準(zhǔn)確，審稿人希望作者進(jìn)行更仔細(xì)的研究，以回答預(yù)測的準(zhǔn)確率到底是多少。

趙惠民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)緊鑼密鼓地進(jìn)行了兩個(gè)月補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，加入了很多新數(shù)據(jù)。改進(jìn)后的文章在2023年1月底再次送審，不到一個(gè)月文章就被接收，從投稿到發(fā)表僅耗時(shí)5個(gè)月。

“這是我投頂刊比較順的一次。”趙惠民說。

在趙惠民看來，論文在《科學(xué)》上發(fā)表只是邁出第一步。他們計(jì)劃擴(kuò)大CLEAN背后的AI，進(jìn)一步開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以表征其他蛋白質(zhì)，如結(jié)合蛋白。

“有很多未被表征的結(jié)合蛋白，如受體和轉(zhuǎn)錄因子，我們也想預(yù)測它們的功能?！壁w惠民有一個(gè)宏大的愿望，他想預(yù)測所有蛋白質(zhì)的功能，這樣就可以對(duì)細(xì)胞中所有蛋白質(zhì)了如指掌，以便更好地研究或設(shè)計(jì)整個(gè)細(xì)胞用于生物技術(shù)或生物醫(yī)學(xué)。

為了讓這款工具越發(fā)強(qiáng)大，該團(tuán)隊(duì)還在訪問頁面專門設(shè)置了一個(gè)鍵，用戶可以點(diǎn)進(jìn)去輸入反饋意見。“希望大家多提意見，我們會(huì)根據(jù)反饋再增加一些新的功能。”

在美國做科研一點(diǎn)也不容易

閑暇時(shí)，趙惠民常跟學(xué)生很走心地分享過往經(jīng)歷，想讓他們明白做科研本就不會(huì)一帆風(fēng)順。

30年前，他就曾因?yàn)榭己藟毫Γ坏貌环艞壱豁?xiàng)兩年都未走通的研究。他不吝與學(xué)生分享科研路上曾有過的至暗經(jīng)歷，因?yàn)榭蒲斜揪褪且粭l“光榮的荊棘路”，接受失敗是必修課。

“常聽朋友說在國內(nèi)做科研很‘卷’，有些人會(huì)以為在美國做科研很輕松，從我的親身經(jīng)歷來說，一點(diǎn)也不容易?！壁w惠民表示。

他讀博的時(shí)候，就有好幾名同年進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)因?yàn)轫敳蛔毫?，沒拿到學(xué)位就心灰意冷地離開了。好在他跨過黑暗，選擇再度出發(fā)，成為了美國加州理工學(xué)院教授Frances H. Arnold最有成就的弟子之一。

2018年，Arnold因?yàn)椤懊付ㄏ蜻M(jìn)化”上的突出成就獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在Arnold所獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)背景材料中，趙惠民在5篇關(guān)鍵論文里都有署名，其中有4篇是第一作者。

導(dǎo)師對(duì)趙惠民的影響除了科研上的飛躍外，還有做人做事的改變。Arnold對(duì)學(xué)生總是直來直去，毫不留情地當(dāng)面指出缺點(diǎn)。“我們中國人說話比較委婉，當(dāng)面批評(píng)多少有點(diǎn)讓人下不了臺(tái)。所以剛?cè)サ臅r(shí)候，我不太適應(yīng)，她的嚴(yán)厲，有時(shí)候連美國學(xué)生也吃不消?！?/p>

但相處久了，他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)師的很多反饋就像酶一樣，促使他迅速成長和進(jìn)步。后來他帶學(xué)生時(shí)，也習(xí)慣就事論事、不繞彎子，并且鼓勵(lì)學(xué)生勇于表達(dá)自己的意見和想法，最好跟他爭個(gè)面紅耳赤。

現(xiàn)在，他的很多學(xué)生已經(jīng)成長為一些高校、科研院所的中堅(jiān)力量。其中，33人成為了教授，在國內(nèi)做教授的就有15人?，F(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)有近50名成員，來自世界多個(gè)國家，中國人占了大多數(shù)。

相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2465

本文作者：張晴丹，來源：中國科學(xué)報(bào)，原文標(biāo)題：《中國科大校友今發(fā)Science！蛋白質(zhì)科學(xué)界版ChatGPT來了》

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