微生物+人工智能：开启新一代生物制造
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新闻事件
近期，中国科学院微生物研究所的吴边团队通过使用人工智能计算技术，构建出一系列的新型酶蛋白，实现了自然界未曾发现的催化反应；并在世界上首次通过完全的计算指导，获得了工业级微生物工程菌株，取得了人工智能驱动生物制造在工业化应用层面的率先突破。成果发表在学术期刊《自然·化学生物学》杂志上。
该项研究不仅降低了传统化学合成中对反应条件的苛刻要求，更重要的是解决了化学合成带来的污染问题。这是人工智能技术在工业菌株设计方向的成功案例，验证了其科学理论基础，也将为人工智能与传统生物产业的互作融合打开新局面。
现代生物制造已经成为全球性的战略性新兴产业，在化工、材料、医药、食品、农业等诸多重大工业领域得到了广泛的应用，根据OECD预测，到2030年约有35%的化学品和其他工业产品来自生物制造。欧、美、日等主要发达国家都将绿色生物制造确立为战略发展重点，并分别制定了相应的国家规划。我国正处于建设创新型国家与加快生态文明体制改革的决定性阶段，紧随并引领世界科技前沿，发展新型绿色生物制造技术，支撑传统产业升级变革，关乎资源、环境、健康，符合国家重大战略需求。
近年来，人工智能技术迅猛发展，其影响开始推广到绿色生物制造领域，尤其是在其核心元件蛋白质的设计方面，发挥了巨大的作用。通过人工智能技术，预测蛋白质结构、设计蛋白质功能，可以极大地扩展人工改造生命体的应用场景，变革性地推动绿色生物制造的发展。蛋白质的工程改造正在经历了从传统实验进化到计算机虚拟设计的演变过程，计算机辅助蛋白结构预测以及新功能酶设计策略得到了前所未有的重视和发展，成为了生物学、化学、物理学、数学等多学科交叉的热点前沿领域。
人工智能“计算”新酶已成为国际热点
酶是生物催化技术中的核心“发动机”，其本质是一种蛋白质。蛋白质的生物学功能很大程度上由其三维结构决定，结构预测是了解酶功能的一种重要途径。《科学》杂志将蛋白质折叠问题列为125个最为重大的科学问题之一。
近年来，随着计算机科学、计算化学、生物信息学等多学科的联合进步，这一问题的解决看到了曙光。尤其是在CASP竞赛推动下，蛋白质结构预测方法和新功能酶计算设计策略得到了迅猛的发展。
设计蛋白质一方面可以揭示蛋白质结构与功能关系的规律，另一方面可以创造具有潜在应用价值的蛋白质。2016年，《自然》杂志发表了题为《全新蛋白质设计时代来临》的重要综述。同年，《科学》杂志也将蛋白质计算机设计遴选为年度十大科技突破之一。2017年，美国化学会将人工智能设计新型蛋白质结构列为化学领域八大科研进展之首。多个来自美国、瑞士等国的科研团队活跃在这个领域，文章发表在《自然》、《科学》等顶级学术期刊上。
我国在工业化应用上率先获得突破
目前，全球微生物酶制剂市场主要由几家跨国企业垄断。与之相比，国内企业在市场竞争中仍然处于不利的位置，以大宗普通微生物催化剂（如淀粉酶、糖化酶）为主，行业呈现出竞争白热化的态势。但我国已经注意到这个问题，并着力改善。2017年5月，《“十三五”生物技术创新专项规划》在坚持创新发展、着力提高发展质量和效益层面，提出拓展产业发展空间、支持人工智能技术等具有重大产业变革前景的颠覆性技术发展要求。
在此规划的指引下，我国的多个研究团队在该领域取得了不俗成绩。例如，中国科学院微生物研究所的吴边团队通过人工智能计算技术，赋能传统微生物资源，在世界上首次完成了工业级工程菌株的计算设计，获得人工智能驱动生物制造工业化的率先突破。该团队不仅设计了β-氨基酸这一类具备特殊生物活性的非天然氨基酸的最优合成途径，还借助人工智能计算手段，成功设计出一系列的β-氨基酸合成酶，并据此构建出能够高效合成β-氨基酸的工程菌株。
不仅如此，微生物研究所还积极推进成果的落地转化。通过与企业的合作，已经建成千吨级的生产线，相关产品潜在市场规模超过30亿，有望在紫杉醇、度鲁特韦与马拉维若等抗癌与艾滋病治疗药物的生产过程中大幅度降低生产成本。中国科技大学的刘海燕团队则提出了一种新的统计能量模型，为搭建具有高“可设计性”的蛋白质主链结构提供了可行性解决方案。2017年，该团队与中科院脑科学与智能技术卓越创新中心杨弋团队合作，设计出了新一代细胞代谢荧光蛋白质探针，并将其应用于活体动物成像与高通量药物筛选，相关成果发表于《自然·方法学》。
除此之外，中国科学院天津工业生物技术研究所的江会锋团队，通过使用人工智能技术进行关键合成酶的发掘，在国际上首次实现了重要中药活性成分灯盏花素的人工生物合成，相关成果发表于《自然·通讯》，引起强烈反响。
建立适合人工智能驱动生物技术的科研环境
开展人工智能设计元件的核心算法与策略研究。人工智能技术应用于生物制造领域最为基础的部分是核心算法与设计策略的创造。考虑到基础研究的难度与特点，建议选拔一批在该领域的拔尖科学家，提供相对稳定的支持，让他们潜心研究、长期攻关、实现更多原创发现，提出更多原创理论，开辟更多领域发展方向。将人工智能技术与蛋白质结构与功能理论、合成化学理论、量子化学理论有机交叉融合，发展新型算法，搭建“高可设计性”系统策略，把控底层核心技术源头，力争实现人工智能关键技术驱动生物制造的国际领跑地位。
拓展人工智能设计元件在生物制造领域的应用场景。在发展算法的基础上，我国还应积极推进人工智能设计在生物制造领域的应用拓展。建议由优势单位组织重大项目，协同全国相关单位联合攻关；发展系统、科学的新型化学应用拓展策略，利用新型生物催化反应改造和优化现有自然生物体系，从头创建合成可控、功能特定的人工生物体系，在创造研究工具和技术方法的基础上，推动化学、生物、材料、农业、医学等多学科的实质性交叉与合作，为天然化学品与有机化工原料摆脱对天然资源的依赖，促进可持续经济体系形成与发展奠定科学基础，全面提升我国生物制造产业的核心竞争力。
推进人工智能驱动生物制造技术的产业发展。创新驱动发展战略需要落实创新成果，创造新的经济增长点。人工智能驱动的生物制造技术的最终价值也应该体现在实实在在的产业活动上，如果没有与上下游的良好生态，再出色的技术或产品也只能是死路一条。建议在技术发展与市场需求的耦合驱动下，坚持产学研多方位的开放联合，消除成果转化过程执行层面仍然广泛存在的种种屏障；重视资本对于技术和产业发展的催化作用，探索设立专项产业发展基金等市场调控手段；在国家层面，协调沟通行业监管机构，破除不合时宜的陈旧政策限制，尽快建立有利于新兴生物技术的政策法规体系；实现资源、能源的节约与替代，加快转变经济增长模式，加速推进绿色与高效低碳生物经济的产业基础格局。
（作者：向华，系中国科学院微生物研究所副所长、微生物资源前期开发国家重点实验室主任）
为什么说人工智能是第四次工业革命
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近两年，全球IT巨头纷纷布局人工智能领域：谷歌相继收购DeepMind、Kaggle为代表的人工智能公司、IBM打造Watson平台、百度进军无人汽车、阿里联合杭州市政府打造“城市数据大脑”、腾讯成立AI实验室……毋庸置疑，人工智能时代已经到来。之所以说它是一个时代，而不是单纯的“风口”，因为它的出现意味着第四次工业革命的序幕悄然拉开，人类历史即将再一次被颠覆!
“革命”本义指变革天命，后词义扩大，泛指重大革新，不限于政治，是一种彻底的颠覆，推动事物发生根本变革，引起事物从旧质到新质的飞跃。凡是可以冠之“革命”二字的，皆是引起深刻社会关系变革的重大事件，推动着人类历史进程的快速前进。工业革命之所以称其为“革命”，意义便在于此。
前三次工业革命：颠覆，还是颠覆!
第一次工业革命，开始于十八世纪六十年代。英国一名普通的纺织工哈格里夫斯发明了以他的女儿名字命名的珍妮纺纱机，纺纱效率和质量的提高为他们带来了日渐富裕的生活，他自己或许还没有意识到这项发明的伟大意义：成为工业革命开始的标志。而工业革命真正意义上的标志则是源于十年之后苏格兰数学仪器制造师瓦特的发明——蒸汽机，世界工业进入蒸汽时代。
从生产技术上看，机器取代人力，大规模工厂化生产取代个体工场手工生产。从社会结构上看，传统农业社会开始转向现代工业社会，使社会明显地分裂为两大对立阶级──工业资产阶级和工业无产阶级。从城市发展上来看，工业城镇兴起，开始了城市化进程。率先完成工业革命的西方资本主义国家逐步确立起对世界的统治，世界形成了西方先进、东方落后的局面，英国成为世界上第一个工业国家。
第二次工业革命，开始于十九世纪中期，以电力的广泛应用和内燃机的发明为主要标志。发电机的诞生使得人类历史从“蒸汽时代”跨入了“电气时代”，电灯、电车、电影放映机的相继问世为人类社会打开了全新的大门。内燃机的发明一方面推动了石油开采业的发展和石油化学工业的产生，石油也像电力一样成为一种极为重要的新能源;另一方面，解决了交通工具的发动机问题，推动了内燃汽车、远洋轮船和飞机的迅速发展。
从生产关系层面看，垄断与垄断组织形成,主要资本主义国家进入帝国主义阶段。从经济结构层面看，重工业有长足发展，且逐步占主导地位。从城市发展层面看，城市化进程进一步加快，同时带来了环境污染等问题。从生活方式层面看，品种繁多的家用电器走进千家万户，极大地丰富了人们的生活内容;新型交通工具的出现扩大了人们的活动范围，加强了人与人之间的交流。第二次工业革命促使世界市场最终形成，美国、德国成为世界性的经济中心。
第三次工业革命，开始于二十世纪中期，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志。以原子弹、氢弹为代表的原子能技术进入新纪元，电子计算机的发明把人类从繁重的脑力劳动中解放出来，人造地球卫星的成功发射使人类跨入了航空航天新时代，分子生物学和遗传工程的出现则开启了一扇全新的生物科学之门。科学和技术密切结合，在推动生产力发展上发挥着越来越重要的作用。因此，第三次工业革命体现的是科技革命的概念。
从产业结构上看，第一产业、第二产业在国民经济中的比重下降，使得第三产业的比重上升。从城市结构上看，公共交通工具(例如公交)的出现使得城市空间向密路网、复合用地、开放街区、精明增长转变。从生活方式上看，汽车、飞机、铁路的高速发展和普及极大地增加了人们的出行距离，加之互联网、计算机的出现，使得世界成为触手可及的“地球村”。以美国为首的欧美发达国家成为世界经济的中心，科学技术成为世界各国争相抢占的制高点。
每一次工业革命都在颠覆性地改变人类文明进程的发展，产业、城市、生活乃至国际关系得以重塑，谁能抢占先机、顺势而为，谁才能有机会成为“革命”的弄潮儿，引领一个时代。
第四次工业革命：人工智能开启未来之门
历史的车轮继续向前，出现了与蒸汽机、电力、计算机的发明同等量级的新事物——人工智能，正在以迅雷不及掩耳之势席卷全球。什么是人工智能?大数据+机器的深度学习。大数据是人工智能的基础，通过大数据的收集分析为人工智能提供素材，机器基于素材的积累实现深度学习——以人的思维方式思考、解决问题。人工智能出现的意义绝不仅仅是机器人的批量生产与应用，而是作为核心驱动力驱动产业结构、城市形态、生活方式和科技格局的颠覆式变革。
对产业结构的改变：跨界整合，助力升级
一方面，围绕人工智能积极布局新兴领域，包括智能软硬件(例如语音识别、机器翻译、智能交互)、智能机器人(例如智能工业机器人、智能服务机器人)、智能运载工具(例如自动驾驶汽车、无人机、无人船)、虚拟现实与增强现实、智能终端(例如智能手表、智能耳机、智能眼镜)、物联网基础器件(例如传感器件、芯片)，形成人工智能主题的高端产业和产业高端的聚集。
另一方面，以人工智能推动制造业、农业、物流、金融、商务、家居产业在内的传统产业转型升级，形成智能制造、智能农业、智能物流、智能金融、智能商务、智能家居产业。通过智能工厂的推广大幅提高生产效率，推动人工智能在各行各业的规模化应用，全面提升产业发展的智能化水平。
对城市形态的改变：立体空间，高效管理
人工智能不是未来城市的全部，但从根本上影响城市空间形态与管理模式，是未来城市发展的核心驱动力。历史上畜力车、步行为主的交通方式决定了城市的道路窄、尺度小，汽车的出现则促使了以车行道为主的人车分流的城市设计，公共交通工具的出现使得城市公共空间大幅增加，未来以无人驾驶、无人机为代表的智能交通方式的普及则会推动城市立体空间(特别是地下空间)的充分利用，由此带来更加立体多面的城市尺度。
同时，人工智能会推动城市管理方式升级，包括智慧政务、环境监控、数字社区、应急指挥等，智慧基础设施遍布城市各个角落，通过大数据的采集、处理与分析，极大地提高城市管理的效率与准确率。
对生活方式的改变：高度自由，三生有幸
晨起洗漱的你在智能镜子上看到今天的天气预报、新闻提要和约会提醒;吃完早餐后，自己的全自动座驾已经停在门口，将目的地设置成办公地点，便可以安心地坐在座位上准备一天的工作了;上班的你不放心家里的宠物，打开手机看到它正和机器人管家欢快地玩耍;下班回家的路上，把家里的空调提前打开给自己营造一个凉爽的环境……这只是一个很小的生活片段，人工智能所带来的不只是脑洞大开的生活，更是“三生有幸”的生活方式。
人工智能渗透到生活的方方面面，把人们从繁重的脑力劳动中解放出来，实现物质和精神层面的极大丰富，有更多的时间去享受生活、体验生命。万物互联带来高度自由，人们通过搭乘智能交通工具可以迅速到达任何一个目的地，也可以凭借更加多元的社交媒体方式，和超越地理空间上的人交流。
对科技格局的改变：中国崛起，领跑世界
第一次工业革命，中国被动地开启近代化历程;第二次工业革命，中国面临空前的民族危机而丧失了追赶世界科技潮流的重要机遇;第三次工业革命，中国以追随者的角色在科学技术领域探索出了巨大的成就。而面对第四次工业革命，这一次，中国要做引领者。2017年7月8日，国家下发了《新一代人工智能发展规划》，不是以科技部、工信委或几部委联合下发的方式，而是国务院直接主导，这是一个鲜明的信号：中国正在举全国之力，抢占人工智能制高点。
而中国自身也的确具备领跑人工智能的条件和潜力。目前全球人工智能企业最为集中的三个国家分别为美国、中国、英国，三国的人工智能企业数量占全球总数的65.73%，其中“BAT”在人工智能领域的布局跻身全球第一梯队。中国人工智能专利申请数累计达到15745项，位列全球第二。中国人工智能论文引用量排名世界第一。中国人工智能领域融资规模约为26亿美元，远高于以色列和印度……这些数据的背后是中国强大人工智能实力的彰显，也决定了中国将凭借人工智能登上世界科技舞台。
人类文明的每一次进步，都伴随着科技的重大突破。轰轰烈烈的第四次工业革命大幕已经拉开，人工智能正在引领人类社会进入新纪元。我们应该为生在这样一个伟大的时代而感到骄傲，为中国能够扛起引领第四次工业革命的大旗而感到自豪。而面对人工智能开启的未来之窗，你准备好了吗?