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編者薦語：

該專刊從AI驅(qū)動底層技術(shù)、生物元器件智能設(shè)計合成、人工細(xì)胞智能設(shè)計再造和智能生物過程控制優(yōu)化4個方面闡述AI驅(qū)動生物制造的機遇和挑戰(zhàn)、發(fā)展現(xiàn)狀，展望未來的發(fā)展趨勢，為更好推動生物制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

論文概覽

標(biāo)題

AI驅(qū)動生物制造專刊序言

作者

王欽宏1,2*，馬紅武1,2*，夏建業(yè)1,2*

1 中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所 低碳合成工程生物學(xué)全國重點實驗室

2 國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心

摘要：生物制造是可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略方向，我國高度重視生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家和地方相繼出臺生物制造專項政策，大力發(fā)展生物制造已成不可阻擋之勢。當(dāng)前，隨著系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)的不斷發(fā)展，生物大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)正快速與生物技術(shù)融合，為生物體系設(shè)計、創(chuàng)制及應(yīng)用提供新理論、新方法、新技術(shù)，推動生物制造發(fā)展進入人工智能驅(qū)動時代。為了把握AI驅(qū)動生物制造創(chuàng)新發(fā)展脈絡(luò)，本刊特組織出版專刊，邀請國內(nèi)多家單位的專家學(xué)者，分別從AI驅(qū)動底層技術(shù)、生物元器件智能設(shè)計合成、人工細(xì)胞智能設(shè)計再造和智能生物過程控制優(yōu)化4個方面闡述AI驅(qū)動生物制造的機遇和挑戰(zhàn)、發(fā)展現(xiàn)狀，展望未來的發(fā)展趨勢，為更好推動生物制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

生物制造是以微生物、植物、動物細(xì)胞等生物體或其組成成分為工具，通過工業(yè)生物技術(shù)規(guī)?；a(chǎn)醫(yī)藥、食品、材料、能源等產(chǎn)品的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[1-3]。麥肯錫研究表明，60%人類需求的物質(zhì)產(chǎn)品可以通過生物制造[4]；世界經(jīng)合組織報告預(yù)測，至2030年，生物制造的經(jīng)濟和環(huán)境效益將超過生物農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)藥，在生物經(jīng)濟中的貢獻(xiàn)率達(dá)到39%[5]。生物制造正推動全球制造業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，為應(yīng)對氣候變化和能源安全、提高產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性、創(chuàng)新糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進人民生命健康、保護綠色生態(tài)環(huán)境等提供重要解決方案。生物制造有望改變世界工業(yè)格局，開創(chuàng)一個財富綠色增長新紀(jì)元，是實現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的領(lǐng)域之一，是全球發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)再工業(yè)化戰(zhàn)略和搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點的關(guān)鍵。

生物制造已成為全球科技競爭的關(guān)鍵賽道，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要路徑，我國高度重視生物制造發(fā)展，將其視為推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和提升國際競爭力的關(guān)鍵領(lǐng)域[6-7]。通過頒布《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《國家生物技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》和《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等多項政策和規(guī)劃，明確了生物制造的戰(zhàn)略地位，加大了對生物制造研發(fā)的投入，鼓勵企業(yè)、高校和科研機構(gòu)合作，推動關(guān)鍵技術(shù)的突破，旨在推動其在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。2022年、2023年兩次中央經(jīng)濟工作會議以及2023年全國兩會政府工作報告連續(xù)強調(diào)要發(fā)展生物制造，生物制造創(chuàng)新發(fā)展關(guān)乎我國在國際產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟中的位勢。

科技創(chuàng)新是生物制造發(fā)展的基石，可以有效增加技術(shù)供給，推動產(chǎn)業(yè)的快速進步和廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，隨著系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)的不斷發(fā)展，生物大數(shù)據(jù)的積累和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷進步，高性能智能計算設(shè)計等信息技術(shù)正快速與生物技術(shù)融合，為生物體系設(shè)計、創(chuàng)制及應(yīng)用提供新理論、新方法、新技術(shù)，推動生物制造發(fā)展進入人工智能(artificial intelligence, AI)驅(qū)動時代，生物制造的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能化、自動化程度快速提升[8-11]。利用AI技術(shù)，DNA合成、蛋白質(zhì)設(shè)計、基因編輯、數(shù)字細(xì)胞等底層技術(shù)快速突破和演進，不斷拓展對生物體進化演化、功能調(diào)控的認(rèn)知；AI通過機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析，可以對生物體進行可預(yù)測的編程，生物系統(tǒng)的元件、線路、途徑、網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測、可調(diào)控、可再造正逐漸成為現(xiàn)實；AI通過快速篩選分析大量生物體樣本和生物數(shù)據(jù)，優(yōu)化實驗設(shè)計，大大縮短研發(fā)周期；AI驅(qū)動的自動化實驗平臺可以執(zhí)行高通量實驗，減少人為誤差，提高實驗的重復(fù)性和可靠性；AI能夠處理和分析海量生物數(shù)據(jù)，給出更合理的策略，優(yōu)化生物工藝流程，實現(xiàn)生物工程的智能監(jiān)測和智能控制，大幅度提升生物制造的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，推進生物制造將朝著更高效、更綠色、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展，為人類社會帶來更多福祉。

為了準(zhǔn)確把握AI驅(qū)動生物制造創(chuàng)新發(fā)展脈絡(luò)，本期專刊以“AI驅(qū)動生物制造”為主題，邀請了國內(nèi)多家單位的專家學(xué)者，分別從AI驅(qū)動底層技術(shù)、生物元器件智能設(shè)計合成、人工細(xì)胞智能設(shè)計再造和智能生物過程控制優(yōu)化4個方面闡述AI驅(qū)動生物制造的機遇和挑戰(zhàn)、發(fā)展現(xiàn)狀，展望未來的發(fā)展趨勢，推動相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展和成熟，以更好地推動生物制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1  AI驅(qū)動底層技術(shù)

底層技術(shù)是支撐生物制造研發(fā)和應(yīng)用的核心技術(shù)體系，涵蓋了從基因操作到生物系統(tǒng)設(shè)計的多個層面，AI的快速發(fā)展提供了強大的工具和方法，正在深刻改變生物制造相關(guān)的底層技術(shù)，推動了從數(shù)據(jù)庫、知識庫、大模型、計算模擬、蛋白從頭設(shè)計、基因精準(zhǔn)編輯等方面的全面創(chuàng)新發(fā)展，顯著提升了生物制造領(lǐng)域的研發(fā)效率和應(yīng)用潛力。數(shù)據(jù)庫、知識庫與大模型是支撐生物制造研發(fā)和應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武團隊全面梳理了面向生物制造的數(shù)據(jù)庫、知識庫與大語言模型的最新研究進展、發(fā)展方向、難點以及新興技術(shù)，探討了如何整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建知識庫，特別是通過大模型實現(xiàn)生物制造相關(guān)知識的獲取和生成，特別指出通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和跨學(xué)科合作，利用高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫、知識庫和大模型技術(shù)，可以實現(xiàn)知識驅(qū)動的更智能化、自動化的生物制造過程[12]。計算模擬驅(qū)動的生物元件、代謝網(wǎng)絡(luò)乃至細(xì)胞系統(tǒng)的機理解析、定向改造和按需設(shè)計，可為解決不同層次的生物學(xué)問題提供新的技術(shù)方案，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所盛翔團隊結(jié)合近年來高性能AI模型的快速發(fā)展，在介紹基于物理原理的傳統(tǒng)蛋白計算模擬方法及其應(yīng)用基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了融合AI和物理原理的最新計算模擬技術(shù)，進而提出在AI模型中結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕瘜W(xué)知識和既定的物理原理，可有效提升數(shù)據(jù)處理和模式識別能力，從而提高計算效率和預(yù)測準(zhǔn)確性[13]。蛋白質(zhì)突變效應(yīng)預(yù)測旨在評估蛋白質(zhì)序列中單個或多個氨基酸突變對其結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性的影響，是進行蛋白質(zhì)精準(zhǔn)設(shè)計的前提，上海交通大學(xué)洪亮團隊綜述了蛋白質(zhì)語言模型在蛋白質(zhì)突變效應(yīng)預(yù)測中的應(yīng)用，重點討論了基于序列的模型、基于結(jié)構(gòu)的模型以及結(jié)合序列和結(jié)構(gòu)信息的模型3類模型的原理、優(yōu)勢和局限性，并探討了無監(jiān)督學(xué)習(xí)和監(jiān)督學(xué)習(xí)在模型訓(xùn)練中的應(yīng)用以及當(dāng)前相關(guān)研究面臨的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集的獲取、數(shù)據(jù)噪聲的處理等主要挑戰(zhàn)，還展望了多模態(tài)融合、少樣本學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的應(yīng)用前景，為相關(guān)研究者提供一個全面的視角來審視蛋白質(zhì)突變效應(yīng)預(yù)測領(lǐng)域狀況[14]?；蚓庉?，尤其是CRISPR-Cas基因編輯可以對生物體的基因組進行精準(zhǔn)修改以實現(xiàn)基因功能的調(diào)控、修復(fù)或改造，AI的發(fā)展進一步提升了基因編輯的能力和效率，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王猛團隊綜述了AI技術(shù)在CRISPR-Cas系統(tǒng)設(shè)計、挖掘與改造中的應(yīng)用進展，AI技術(shù)可以更好地助力分析高通量測序數(shù)據(jù)，優(yōu)化sgRNA設(shè)計，提升編輯效率，預(yù)測脫靶效應(yīng)，提高了基因編輯的效率和精確性，同時借助自動化設(shè)施，基因編輯的全流程將實現(xiàn)高通量并行操作，為實現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)化的高通量基因組編輯奠定了基礎(chǔ)[15]。

[12]毛志濤, 廖小平, 馬紅武. 面向生物制造的數(shù)據(jù)庫、知識庫與大模型[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 901-916.

[13]劉保艷, 李帥, 蘇浩, 盛翔. 人工智能與物理原理融合驅(qū)動的蛋白計算模擬技術(shù)[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 917-933.

[14]張良, 談攀, 洪亮. 基于蛋白質(zhì)語言模型的突變效應(yīng)預(yù)測研究進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 934-948.

[15]毛雨豐, 儲光蕓, 梁慶玲, 劉葉, 楊毅, 廖小平, 王猛. 基于人工智能的CRISPR-Cas系統(tǒng)的設(shè)計、挖掘與改造[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 949-967.

2  生物元器件智能設(shè)計合成

生物元器件包括核酸元件、酶蛋白元件、轉(zhuǎn)運與調(diào)控蛋白元件以及處理邏輯運算、信號感知與代謝調(diào)控等功能的基因線路，是生物體的基本功能單元，類似于電子工程中的標(biāo)準(zhǔn)化元件，可以被組裝成更復(fù)雜的、具有特定功能的生物系統(tǒng)，從而提升生物制造的能力和效率。結(jié)合AI技術(shù)，通過智能設(shè)計合成，能夠顯著提高生物元器件的設(shè)計效率和功能性，不斷提升生物制造應(yīng)用能力。核酸元件是在各種生物過程中發(fā)揮重要作用的功能性核酸(DNA或RNA)序列，是生物體生命活動的基礎(chǔ)，也是生物制造高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫喆、張學(xué)禮團隊系統(tǒng)總結(jié)了應(yīng)用于生物制造的各種DNA和RNA核酸元件，分析了基于人工智能算法構(gòu)建的核酸元件預(yù)測和設(shè)計工具及人工智能技術(shù)在生物制造中的應(yīng)用案例，探討了由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足等問題造成的核酸元件智能設(shè)計在生物制造中的應(yīng)用較為單一等現(xiàn)象，指出進一步整合人工智能技術(shù)、合成生物學(xué)和高通量技術(shù)等，有望開發(fā)更高效準(zhǔn)確的核酸元件設(shè)計方法，加速其在生物制造中的應(yīng)用[16]。酶作為生物催化劑，在生物制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用；針對天然酶蛋白難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，挖掘和設(shè)計改造酶蛋白以適應(yīng)特定的生物制造過程至關(guān)重要；中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所廖小平團隊系統(tǒng)總結(jié)了近年來AI技術(shù)在酶蛋白挖掘、評估、改造和從頭設(shè)計方面的相關(guān)進展，指出AI技術(shù)可通過機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，分析大量生物信息學(xué)數(shù)據(jù)，預(yù)測蛋白的功能和特性，從而加速蛋白的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化過程；AI還可以通過模擬和預(yù)測酶蛋白在不同條件下的性能，為酶蛋白的精準(zhǔn)設(shè)計提供指導(dǎo)[17]。轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白是一類能夠與DNA結(jié)合并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，其在基因表達(dá)調(diào)控中起著核心作用，近年來利用轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白構(gòu)建生物傳感器，在生物制造的工程菌株構(gòu)建優(yōu)化、動態(tài)調(diào)控、高通量篩選等方面實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。中國科學(xué)院微生物研究所唐雙焱團隊梳理了近年來在計算機模擬和人工智能技術(shù)輔助下，采用蛋白質(zhì)工程手段，智能設(shè)計、改造轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白以提升其性能的相關(guān)研究進展，指出計算機模擬和人工智能輔助技術(shù)可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白更精準(zhǔn)快捷地設(shè)計構(gòu)建，正在快速推動新型生物傳感器的創(chuàng)制研發(fā)，滿足實際應(yīng)用的需求[18]?；蚓€路由一系列核酸元件、蛋白元件、調(diào)控元件等生物元件組成，能夠執(zhí)行特定的邏輯功能或調(diào)控基因表達(dá)來實現(xiàn)特定的生物行為，在生物制造中發(fā)揮必不可少的作用。浙江大學(xué)王寶俊團隊概述了基因線路設(shè)計中常用的機器學(xué)習(xí)算法，分析了機器學(xué)習(xí)如何在合成啟動子、RNA調(diào)控元件、轉(zhuǎn)錄因子等生物元件及簡單基因線路的智能設(shè)計中突破傳統(tǒng)方法的局限，探討了智能化設(shè)計當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)及其潛在解決方案，并展望了機器學(xué)習(xí)與生物系統(tǒng)設(shè)計未來的融合趨勢，強調(diào)了跨學(xué)科合作在這一進程中的重要性[19]。

[16]王金盛, 孫喆, 張學(xué)禮. 生物制造中核酸元件的智能設(shè)計[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 968-992.

[17]劉翠, 史振坤, 馬紅武, 廖小平. 蛋白元件的智能挖掘、改造和從頭設(shè)計[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 993-1010.

[18]梁朝寧, 向臘, 唐雙焱. 基于轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白的生物傳感器的智能設(shè)計構(gòu)建[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1011-1022.

[19]毛瑞超, 王寶俊. 合成生物元件與線路的智能設(shè)計[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1023-1051.

3  人工細(xì)胞智能設(shè)計再造

人工細(xì)胞(或工程細(xì)胞)是指通過合成生物學(xué)等手段構(gòu)建的具有生命基本特征和特定功能的細(xì)胞或類細(xì)胞系統(tǒng)，可以基于天然細(xì)胞，通過基因編輯、代謝工程等手段改造獲得，也可以利用脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)等非生命物質(zhì)從頭合成構(gòu)建。結(jié)合AI技術(shù)，智能設(shè)計再造正在顯著提升人工細(xì)胞的構(gòu)建效率和功能性，從而在生物制造中發(fā)揮更大作用。高效設(shè)計、構(gòu)建人工細(xì)胞需要精準(zhǔn)、全面的數(shù)字細(xì)胞模型，而近年來多學(xué)科的發(fā)展和融合可以更精確地測量細(xì)胞組分動態(tài)變化，快速獲取海量生物數(shù)據(jù)，使得細(xì)胞過程數(shù)理模型的精確構(gòu)建日益可行。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所朱巖團隊整理歸納了細(xì)胞生命過程數(shù)學(xué)建模的技術(shù)體系，詳細(xì)闡述了單一細(xì)胞生命過程的數(shù)學(xué)模型，進一步總結(jié)了多過程模型以及全細(xì)胞模型的相關(guān)方法，系統(tǒng)評述了相關(guān)數(shù)學(xué)模型在解析細(xì)胞運作規(guī)律、工程細(xì)胞設(shè)計中的具體應(yīng)用，并進一步指出了數(shù)學(xué)建模的當(dāng)前挑戰(zhàn)，探討了可能的解決方案，旨在推動該領(lǐng)域的研究進展和技術(shù)革新，加速人工細(xì)胞創(chuàng)制迭代，實現(xiàn)高效可持續(xù)的綠色生物制造[20]。蛋白質(zhì)表達(dá)是一個涵蓋轉(zhuǎn)錄、翻譯、折疊、轉(zhuǎn)運與翻譯后修飾等精密調(diào)控的復(fù)雜過程，是實現(xiàn)生物制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合蛋白表達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建其模型對理解蛋白表達(dá)的各種細(xì)胞因素和調(diào)控機制具有重要意義。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武團隊評述了近年來蛋白表達(dá)過程機理模型構(gòu)建和通過人工智能方法分析各種因素對蛋白表達(dá)的影響方面的進展，明確數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能模型主要研究目標(biāo)蛋白的氨基酸序列和相應(yīng)基因及調(diào)控區(qū)核苷酸序列對蛋白表達(dá)的影響，而機理模型則側(cè)重表達(dá)底盤細(xì)胞中關(guān)鍵組分如氨酰tRNA合酶等對蛋白表達(dá)的影響；提出將機理模型和人工智能模型相結(jié)合，綜合考慮胞內(nèi)因素和表達(dá)序列特征的影響，有望進一步加深對蛋白表達(dá)系統(tǒng)的理解，為提升生物制造效率提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持[21]。能量代謝既可以通過改變物質(zhì)代謝流分配提升生產(chǎn)效率，也可以通過改變酶催化反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)，影響反應(yīng)平衡減少能量消耗，從而降低生物制造的效率和生產(chǎn)成本。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院于濤團隊梳理了底物水平磷酸化和氧化磷酸化這2類能量代謝調(diào)控對物質(zhì)代謝以及生物制造的影響，探討了如何通過合成生物學(xué)，尤其是通過AI輔助的計算設(shè)計優(yōu)化能量代謝，改善人工細(xì)胞性能，增加生物制造目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率[22]。細(xì)胞中由自發(fā)或由酶催化的代謝反應(yīng)組成了高度復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞生理代謝活動運作密切相關(guān)，因此，細(xì)胞生理代謝網(wǎng)絡(luò)模型的重構(gòu)有助于從系統(tǒng)層面上解析基因型與生長表型之間的關(guān)聯(lián)，為細(xì)胞生理代謝活動精準(zhǔn)刻畫與生物綠色制造等研究提供重要的計算生物學(xué)工具。上海交通大學(xué)魯洪中團隊系統(tǒng)介紹全基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型、動力學(xué)模型、酶約束代謝模型等不同類型細(xì)胞生理代謝網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)展與應(yīng)用的最新研究進展，指出最近的人工智能技術(shù)為高精度細(xì)胞生理代謝網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建提供了全新機遇，并總結(jié)了其在動力學(xué)模型和酶約束模型構(gòu)建等領(lǐng)域的具體應(yīng)用案例，相關(guān)研究為高性能人工細(xì)胞的創(chuàng)制提供了強大計算支撐[23]。

[20]朱巖, 孫際賓. 細(xì)胞生命過程數(shù)學(xué)刻畫建模[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1052-1078.

[21]楊毅, 杜軍, 楊春賀, 馬紅武. 蛋白表達(dá)系統(tǒng)的機理模型和人工智能模型研究進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1079-1097.

[22]楊一群, 劉清清, 田碩, 于濤. 細(xì)胞工廠能量代謝設(shè)計研究進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1098-1111.

[23]肖陸馳, 魯洪中. 細(xì)胞生理代謝網(wǎng)絡(luò)模型重構(gòu)和優(yōu)化的進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1112-1132.

4  智能生物過程控制優(yōu)化

生物制造過程既包含復(fù)雜的細(xì)胞生命過程又包含復(fù)雜的環(huán)境混合、傳質(zhì)過程，是細(xì)胞與外部環(huán)境動態(tài)相互作用結(jié)果的體現(xiàn)。智能生物過程控制優(yōu)化是利用AI、大數(shù)據(jù)和自動化技術(shù)，對生物過程中的環(huán)境條件、細(xì)胞代謝特性參數(shù)等進行智能感知，在感知基礎(chǔ)上對生物過程進行實時監(jiān)控、分析和優(yōu)化，以提高生產(chǎn)效率、降低成本并確保產(chǎn)品質(zhì)量。AI等跨學(xué)科的融合發(fā)展正在推動生物制造過程向智能化、精準(zhǔn)化和高效化方向發(fā)展。感應(yīng)代謝與環(huán)境變化并做出自適應(yīng)調(diào)控是細(xì)胞生命活動的關(guān)鍵，揭示細(xì)胞代謝與環(huán)境適應(yīng)的調(diào)控機制，不僅有助于理解生命活動的基本規(guī)律，還為優(yōu)化和提升生物制造過程效率提供了新思路。江南大學(xué)劉立明團隊從細(xì)胞如何通過膜上的感受器和胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)通路感應(yīng)代謝和環(huán)境的差異性變化，細(xì)胞自適應(yīng)調(diào)控以應(yīng)對不斷變化的代謝和環(huán)境差異的方式有哪些，以及如何利用已知的細(xì)胞感知和適應(yīng)調(diào)控機制這3個方面對細(xì)胞代謝與環(huán)境適應(yīng)調(diào)控的研究進行了總結(jié)，并從動態(tài)調(diào)控、理性代謝工程改造和適應(yīng)性進化3個方面探討了基于細(xì)胞自適應(yīng)調(diào)控的生物制造應(yīng)用場景及未來的發(fā)展方向[24]。生物制造過程本身固有的時空異質(zhì)性、復(fù)雜性以及動態(tài)性，給生物過程系統(tǒng)認(rèn)知、優(yōu)化調(diào)控帶來了重大挑戰(zhàn)，利用系統(tǒng)生物學(xué)定量檢測生物過程中細(xì)胞內(nèi)外組分的動態(tài)變化，解析生物系統(tǒng)與環(huán)境間的動態(tài)互作原理，挖掘海量組學(xué)數(shù)據(jù)，建立機理或數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)學(xué)模型，可以實現(xiàn)生物過程計算模擬，從而可以預(yù)測環(huán)境條件變化、基因調(diào)控或外源干擾對細(xì)胞功能的影響，為優(yōu)化生物過程與控制策略提供可能。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫際賓團隊梳理了生物過程多組學(xué)數(shù)據(jù)獲取及分析以及基于多組學(xué)數(shù)據(jù)的生物過程建模方法，探討了多組學(xué)和建模在過程參數(shù)調(diào)整、發(fā)酵控制、環(huán)境應(yīng)變應(yīng)答、營養(yǎng)優(yōu)化以及實時監(jiān)測與調(diào)整等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用，多組學(xué)數(shù)據(jù)整合及模型化在提升生物過程操作精度方面的巨大潛力，討論了目前生物過程優(yōu)化所面臨的挑戰(zhàn)及可能的解決策略，指出通過解決相關(guān)問題，可以更好地理解和控制復(fù)雜的生物過程，從而推動生物制造領(lǐng)域的快速發(fā)展[25]。生物發(fā)酵過程優(yōu)化效率低已成為限制生物制造創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，而生物發(fā)酵過程的數(shù)字化、智能化為突破這一瓶頸提供了新路徑。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所夏建業(yè)團隊針對發(fā)酵過程實時智能感知與優(yōu)化控制的創(chuàng)新發(fā)展，梳理了常規(guī)檢測技術(shù)、高級檢測技術(shù)、實時智能感知技術(shù)在生物發(fā)酵優(yōu)化過程中的應(yīng)用，同時分析對比了傳統(tǒng)生物過程優(yōu)化控制技術(shù)、多參數(shù)發(fā)酵優(yōu)化控制技術(shù)，以及實時智能感知支持下的過程優(yōu)化控制技術(shù)的差異和優(yōu)劣，并對未來智能發(fā)酵優(yōu)化控制技術(shù)進行展望，指出基于數(shù)字孿生的過程優(yōu)化與智能控制，將提升生物發(fā)酵過程的自主適應(yīng)能力，為生物制造的智能化和可持續(xù)發(fā)展提供強大支持[26]。生物過程具有生命體系與物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系雙重屬性，其多層次多尺度間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)導(dǎo)致生物過程優(yōu)化十分困難，深入認(rèn)識介尺度機理是了解生物過程動態(tài)變化和梳理多尺度復(fù)雜關(guān)系的關(guān)鍵之一。近年來AI優(yōu)化與介尺度模擬的結(jié)合為生物過程優(yōu)化注入了新的活力，中國科學(xué)院過程工程研究所楊超團隊梳理生物過程中基于群體平衡模型/格子玻爾茲曼方法的介尺度模擬仿真、機器學(xué)習(xí)方法的AI優(yōu)化、AI與分子動力學(xué)模擬/計算流體動力學(xué)，提出生物過程中的介尺度模擬需要由顆粒間的作用向亞顆粒尺度(如界面問題)深入，呈現(xiàn)更多時空變化的細(xì)節(jié)，進而建立介尺度范圍內(nèi)不同物理空間尺度和不同時間尺度問題的耦合方法，厘清生物過程的動態(tài)關(guān)聯(lián)特征，解析多尺度間的耦合機制，為優(yōu)化生物過程提供參考[27]。

盡管結(jié)合AI的強大計算能力、數(shù)據(jù)挖掘能力和自動化技術(shù)，生物制造正朝著更高效、更精準(zhǔn)、更可持續(xù)的方向發(fā)展，但是AI驅(qū)動生物制造的未來仍然充滿大量挑戰(zhàn)，需要進一步加強生物學(xué)、工程學(xué)和計算機科學(xué)的跨學(xué)科合作，促進AI驅(qū)動生物制造不斷創(chuàng)新，拓展應(yīng)用，為人類面臨的能源、資源和環(huán)境問題提供全新解決方案。此外，本?？瘍?nèi)容上或會存在一些問題，希望各位同行和廣大讀者進一步批評指正。

[24]劉源, 胡貴鵬, 李曉敏, 劉佳, 高聰, 劉立明. 微生物細(xì)胞代謝與環(huán)境適應(yīng)調(diào)控研究進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1133-1151.

[25]朱巖, 張志丹, 覃培斌, 申杰, 孫際賓. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物制造過程多組學(xué)分析與建模[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1152-1178.

[26]夏建業(yè), 龍東嬌, 陳敏, 陳安祥. 智能生物制造之發(fā)酵過程優(yōu)化: 在線檢測、人工智能與數(shù)字孿生技術(shù)[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1179-1196.

[27]王智慧, 王聰, 張慶華, 夏建業(yè), 叢威, 楊超. 生物過程的介尺度模擬仿真與AI優(yōu)化[J]. 生物工程學(xué)報, 2025, 41(3): 1197-1218.

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