曾玉竹 科技日报记者 王春
1月24日，记者从上海交通大学获悉，该校倪俊副教授团队基于人工智能工具成功解开了多酶空间邻近性和催化效率间的“密码”，实现人工多酶复合体序列到功能的理性设计。这项研究解决了困扰生物学界50多年来多酶组装无标准的难题，成功开发出了人工多酶复合体的理性设计工具，有望推动生物制造产业的跨越式发展。相关研究成果刊发在国际学术期刊《细胞》上。
在生物体内，许多化学反应需要一系列酶的协同作用才能完成。这种协同作用就像“流水线”，一个酶完成一部分工作后，下一个酶接着进行，这些酶组合被称为多酶复合体。在自然界中，多酶复合体的空间结构非常精细，它们的排列方式直接影响反应的效率。科学家们一直想模仿自然界的多酶复合体来设计人工多酶复合体，用于加速化学反应、生产药物或降解污染物。然而，人工多酶复合体的设计一直是个难题。过去，科学家们只能通过反复试验来摸索最佳的酶组合方式，这种方法不仅耗时耗力，且效率不高。
为应对上述挑战，倪俊团队通过大量的实验和基于人工智能的数据分析，终于找到了多酶复合体效率的关键“密码”——酶之间的空间距离和通道角度，为人工多酶复合体的设计找到了“说明书”。他们发现，只要控制好这些因素，就能显著提高催化反应的效率。基于这一发现，团队开发了名为“iMARS”的理性工具。这个工具就像一个智能助手，可以根据科学家的需求，快速预测和设计出最优的人工多酶复合体结构。它内置了上千种不同性质的连接片段，通过高精度的蛋白质结构预测和分子对接技术，能够快速筛选出最佳的多酶组装方式。这种方法大大提高了设计效率，以往尝试一种组装方式需要至少5天，现在仅需要不到1分钟。同时，这种技术大大降低了人工多酶复合体的设计成本，将组装方式的测试成本从每种500元以上降低到了不到0.015元。在获得高效人工多酶复合体的基础上，研究团队测试了其在生物制造的不同应用场景中的运用，成功将抗氧化物质白藜芦醇的生产效率提高了40多倍，并大幅度提升了香料香兰素和营养成分麦角硫因等化合物的生物制造效率。其中，多种物质的合成效率达到国际最高水平，展现了iMARS在生物制造产业化中的潜力。目前，这个工具可在线使用，为研究人员提供了便利。
iMARS作为首个人工多酶复合体的理性设计工具，标志着人工多酶复合体的设计从传统的“试错法”迈向了“理性设计”的新时代。这项研究不仅体现了人工智能对于生物学的推动作用，也体现了合成生物学“造物致知、造物致用”的理念。未来，该技术有望推动我国合成生物学和生物制造领域的快速发展，对医药、食品和工业等领域具有重要意义。
