生物界的ChatGPT：ProGen——開(kāi)啟人工智能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的新時(shí)代

來(lái)源：翌圣生物科技(上海)股份有限公司      分類(lèi)： 2023-02-21 00:00:00 20閱讀次數(shù)

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2022年11月30日，美國(guó)人工智能實(shí)驗(yàn)室OpenAI發(fā)布ChatGPT。ChatGPT問(wèn)世即一舉成名，引起全球熱議。微軟公司表示將把ChatGPT整合到搜索引擎Bing和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中，并向ChatGPT的創(chuàng)建者Open AI投資100億美元；此外ChatGPT成功面試谷歌編程；小說(shuō)、劇作、漫畫(huà)ChatGPT也信手拈來(lái)。短短兩個(gè)多月，ChatGPT讓人驚嘆的表現(xiàn)不勝枚舉，人工智能新時(shí)代的序幕由此拉開(kāi)。

 

那么，ChatGPT到底是什么？ChatGPT：Chat Generative Pre-training Transformer，即預(yù)訓(xùn)練生成模型，它是能夠創(chuàng)建真實(shí)對(duì)話的深度學(xué)習(xí)語(yǔ)言模型。它以對(duì)話的方式進(jìn)行交互，能夠回答連續(xù)性問(wèn)題、承認(rèn)錯(cuò)誤并進(jìn)行糾正、質(zhì)疑不正確的假設(shè)，甚至拒絕不適當(dāng)?shù)恼?qǐng)求，是一款具備“學(xué)習(xí)”、“理解”和“思辨”能力的聊天機(jī)器人。

(圖片來(lái)源：https://learnchatgpt.com)

 

ChatGPT的出現(xiàn)引發(fā)的這場(chǎng)AI風(fēng)暴，令我們不得不感慨人工智能發(fā)展之迅速。在生物領(lǐng)域，人工智能近年來(lái)也取得了矚目的成就。前幾年AlphaFold2的橫空出世，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)有了質(zhì)的飛躍，而今，ProGen的亮相又一次顛覆了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

ProGen是由Salesforce Research、Tierra Biosciences 和加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的一種新型人工智能系統(tǒng)，能從頭開(kāi)始生成人工酶。研究團(tuán)隊(duì)合成了ProGen預(yù)測(cè)生成的人工酶，并發(fā)現(xiàn)其具備天然酶的活性，首次打破了AI預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)之間的壁壘，相關(guān)論文在《Nature Biotechnology》上發(fā)表。

 

ProGen采用了基于標(biāo)簽的深度學(xué)習(xí)語(yǔ)言模型，用來(lái)自超過(guò)19000個(gè)家族的2.8億種不同蛋白質(zhì)的天然氨基酸序列進(jìn)行訓(xùn)練，這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含物種信息、蛋白質(zhì)家族、催化功能等屬性標(biāo)簽，使模型能將蛋白質(zhì)功能和序列信息進(jìn)行映射，從而可生成具備預(yù)測(cè)功能的蛋白質(zhì)序列。ProGen使從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)就像遣詞造句一樣簡(jiǎn)單，給定功能標(biāo)簽和屬性等關(guān)鍵詞，即可大批量生成蛋白質(zhì)序列。

(圖片來(lái)源：Nature Biotechnology)

 

創(chuàng)始人Ali Madani和其他研究人員通過(guò)ProGen生成人工溶菌酶，與天然溶菌酶的蛋白質(zhì)序列一致性?xún)H為31.4%，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚訝，該人工溶菌酶與天然溶菌酶具有相似的催化效果。由ProGen生成的人工酶的催化效果在其他蛋白質(zhì)家族，比如在分支酸變位酶和蘋(píng)果酸脫氫酶中同樣得到了驗(yàn)證。

(圖片來(lái)源：Nature Biotechnology)

 

無(wú)論是ChatGPT還是ProGen，其背后的算法均是一種完全基于“自注意力機(jī)制”的深度學(xué)習(xí)模型。深度學(xué)習(xí)語(yǔ)言模型正在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)和改造領(lǐng)域如火如荼地進(jìn)行，翌圣生物也在AI輔助蛋白質(zhì)改造領(lǐng)域進(jìn)行了探索。翌圣ZymeEditorTM平臺(tái)是翌圣生物酶進(jìn)化研發(fā)中心六大核心技術(shù)平臺(tái)之一，它將理性設(shè)計(jì)、定向進(jìn)化與人工智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合、交互篩選，是高效、系統(tǒng)、創(chuàng)新型的蛋白質(zhì)進(jìn)化平臺(tái)。

 

 

翌圣ZymeEditorTM平臺(tái)的理性設(shè)計(jì)技術(shù)具備蛋白質(zhì)建模、分子對(duì)接、分子動(dòng)力學(xué)模擬等技術(shù)模塊，并結(jié)合人工智能深度學(xué)習(xí)語(yǔ)言模型，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)改造，具有準(zhǔn)確度高、耗時(shí)短、成本低等優(yōu)勢(shì)。翌圣ZymeEditorTM平臺(tái)的超高通量定向進(jìn)化技術(shù)，則可構(gòu)建優(yōu)質(zhì)、超大突變文庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的超高通量篩選，可快速、準(zhǔn)確獲得具備特定功能的有益突變體。翌圣ZymeEditorTM平臺(tái)的人工智能技術(shù)將理性設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化濕實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的龐大的蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練集，更加真實(shí)可靠，從而訓(xùn)練出更適合分子酶的語(yǔ)言模型。ZymeEditorTM平臺(tái)目前已完成130余種高端分子酶的改造和進(jìn)化，具備扎實(shí)的開(kāi)發(fā)高端分子酶的技術(shù)基礎(chǔ)。

 

圖：翌圣ZymeEditorTM平臺(tái)

 

 

參考文獻(xiàn)

 

[1]Madani A, Krause B, Greene ER, Subramanian S, Mohr BP, Holton JM, Olmos JL Jr, Xiong C, Sun ZZ, Socher R, Fraser JS, Naik N. Large language models generate functional protein sequences across diverse families. Nat Biotechnol. 2023 Jan 26. doi: 10.1038/s41587-022-01618-2. Epub ahead of print. PMID: 36702895.

[2]Madani A, McCann B, Naik N, Keskar NS, Anand N, Eguchi RR, Huang PS, Socher R. ProGen: language modeling for protein generation. BioRxiv。2022 Mar 7. doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.07.982272.

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[5]Radford A, Narasimhan K,Salimans T, Sutskever I.Improving Language Understanding by Generative Pre-Training.

[6]Tools such as ChatGPT threaten transparent science; here are our ground rules for their use. Nature. 2023 Jan;613(7945):612. doi: 10.1038/d41586-023-00191-1. PMID: 36694020.

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[8]University of California - San Francisco. "AI technology generates original proteins from scratch: Natural language model jumpstarts protein design with creation of active enzymes." ScienceDaily. ScienceDaily, 26 January 2023..

[9]Stokel-Walker C. AI bot ChatGPT writes smart essays - should professors worry? Nature. 2022 Dec 9. doi: 10.1038/d41586-022-04397-7. Epub ahead of print. PMID: 36494443.

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