为千亿酶缺口定制生物钥匙！中国团队首创AI零样本酶设计方法

近日，ICML 2025公布本届论文审稿结果，由“AI蛋白质折叠奠基人”许锦波教授创立的AI蛋白质设计领军企业分子之心（MoleculeMind）与香港理工大学联合研究成果“针对特定底物的检索增强零样本酶生成”被大会收录。

该研究首创性地实现了针对自然界从未见过的分子或生物反应，按需生成专属催化物，并在催化效率、稳定性等关键指标上优于天然酶和传统方法设计的酶，对于生物医药、生物制造等产业发展具有重要价值。

按需造酶，打破万亿级生物经济的发展瓶颈

酶作为自然界高效且环保的“分子机器”，是驱动现代生物医药、绿色化工、环保降解、绿色农业等万亿级生物经济发展的核心引擎。然而，经过数亿年自然进化而来的天然酶仅适用于自然界已知的反应，新型塑料、特定药物中间体、难降解污染物等层出不穷的人造化学分子，已远超其能力极限。

酶的局限性成为了生物制造领域亟需打破的瓶颈。麦肯锡调研数据显示，“缺乏理想生物催化剂”是生物产业规模化生产的主要障碍，仅制药、化工、农业领域因酶限制导致的年产能损失就已超过千亿美元。

传统的酶发现与优化方法，如定向进化或理性设计，耗时数月、成本高昂，且强依赖于专家经验，成功率不足1%，面对全新底物时更是近乎“束手无策”，无法满足产业的需求。

近年来兴起的AI蛋白质设计为酶精准生成带来了曙光。AI方法可以通过学习大量已知酶的结构-功能关系来直接生成新的催化剂，这使得从头设计具有特定催化功能的酶成为可能。但由于AI的训练高度依赖于已知的酶-底物配对数据，面对全新的人造分子时，AI模型常常会因缺乏训练数据而陷入“盲区”。

“但是，真正的产业痛点，不仅仅是优化已知酶，更是‘从无到有’地创造出理想的新酶。”分子之心创始人许锦波教授指出。分子之心在AI酶优化设计上进行了多年研究，在新酶设计上已取得重要进展。

AI零样本酶设计：从自然进化到全新创造

针对新酶生成的核心难题，即在没有直接催化数据的条件下生成酶，分子之心联合香港理工大学，巧妙融合生物信息大数据检索与生成式AI，创新性地提出一种全新的AI酶设计方法“SENZ”。相关论文已被人工智能顶会ICML收录。

SENZ摈弃当前主流的基于蛋白质相似性生成方法，创新性地基于底物结构相似性检索、创造功能相关的酶，打通了从“未知底物”直达“超级酶”的设计通道。

该方法引导AI从“相似分子”的催化密码中解构核心规律，再重组为征服全新目标底物的“分子钥匙”，具备三重创新机制：基于全球庞大的酶数据库，锁定那些虽无法直接催化目标分子、但底物在结构上与目标分子高度相似的已知酶，为酶设计提供“结构蓝图”；然后，在一个独创的酶-底物分类器的精准指导下，总结出生物反应的底层规律，构建“生物反应图谱”；最后，借助生成式AI设计出能够高效、精准地催化目标底物的全新酶蛋白。

研究团队用SENZ设计了一个自然界不存在的污染物克星，以验证SENZ的先进性。甲基膦酸盐是一种难以降解的环境污染物，至今未发现有效的降解手段和高效的天然降解酶。团队将SENZ的设计结果与基于Transfomer和蛋白质语言模型的无条件生成方法、结构生成方法等多种主流酶设计方法进行了对比，数据显示，SENZ生成的酶显著优于基线和天然酶。

“这证明SENZ不仅能模仿自然，更能设计自然没有进化出的解决方案。”香港理工合作团队表示，SENZ的成功相当于为每个化学分子都配备了一把专属的钥匙，生物制造从此有望摆脱对自然进化的依赖。在医药领域，可为复杂、难合成药物分子快速设计高效的酶催化路径，大幅降低生产成本，加速新药上市；在环保领域，可量身定制可高效降解塑料等顽固污染物的“超级酶”，为环境治理提供生物利器。在生物制造领域，可赋能生物基材料、精细化学品、食品添加剂等的绿色、高效生产。

SENZ只是分子之心设计的“生物钥匙”之一。目前，分子之心已经研发了十多种兼具首创性和产业价值的AI蛋白质设计新方法，包括全球首个多模态AI蛋白质基础大模型NewOrigin，和业界首个功能完善的一站式AI蛋白质预测、优化、设计技术平台MoleculeOS等。

依托这些前沿技术，分子之心已与凯赛生物等十余家生物制造、生物医药领域的头部企业深度合作，开发产业亟需的“超级蛋白”。比如，在生物制造领域，分子之心与凯赛联合优化了一个关键酶蛋白，相对于野生菌，AI设计的一个蛋白结构使菌种产率提高了5倍，有望进一步为产品的商业收益带来提升。药物研发领域，分子之心与药企联合攻关，用AI解决蛋白疫苗稳定性难题。AI仅用三天就设计出数十个理想的候选蛋白，并表现出更高的中和抗体滴度和更强的细胞免疫力，且突破了相关疫苗稳定性专利。

“未来三年，我们将把‘按需设计’能力扩展至抗体、疫苗、工业酶全领域。”许锦波透露，分子之心将持续锻造设计生物分子的AI新引擎，为应对健康、环境与可持续发展的重大挑战提供全新的“生物解决方案”。