中国团队首创AI零样本酶设计方法，破解生物制造瓶颈

2025年6月，国际人工智能顶会ICML 2025的论文审稿结果揭晓，一项来自中国的突破性研究引发全球关注——由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发的“SENZ”方法，首次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。这一成果不仅在催化效率、稳定性等关键指标上超越天然酶和传统方法设计的酶，更意味着生物制造领域长期存在的“酶设计瓶颈”或将被彻底打破。

在全球生物经济规模突破万亿美元的今天，酶作为自然界中高效且环保的“分子机器”，是推动生物医药、绿色化工、环保降解、绿色农业等万亿级产业发展的核心力量。然而，天然酶的局限性已成为制约行业发展的“卡脖子”难题。SENZ方法的诞生，犹如一道曙光，照亮了生物制造的未来之路。

酶的局限性：生物制造的“卡脖子”难题

天然酶的“进化困境”

酶，作为生命活动的催化剂，以其高效、专一、环保的特性，被誉为“分子机器”。然而，历经数亿年自然进化形成的天然酶，仅适用于自然界已知的反应。随着人类科技的发展，新型塑料、特定药物中间体、难降解污染物等不断涌现的人造化学分子，让天然酶的能力显得捉襟见肘。

麦肯锡的调研数据显示，“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超过千亿美元。例如，在制药领域，许多复杂、难合成的药物分子需要特定的酶催化路径，但天然酶往往无法满足需求，导致生产成本居高不下，新药上市时间延长。

传统酶设计方法的“三重困境”

面对天然酶的局限性，科学家们尝试通过定向进化或理性设计等传统方法发现和优化酶。然而，这些方法不仅耗时数月、成本高昂，还高度依赖专家经验，成功率不足1%。更糟糕的是，当面对全新底物时，传统方法几乎无能为力。

定向进化通过随机突变和筛选来寻找性能更优的酶，但这种方法如同大海捞针，效率极低。理性设计则基于对酶结构和功能的深入理解，试图通过计算模拟来设计新的酶，但酶的复杂结构和动态特性使得计算模拟的准确性大打折扣。

SENZ方法：从“未知底物”到“超级酶”的突破

创新思路：基于底物结构相似性的酶设计

针对新酶生成在没有直接催化数据条件下的核心难题，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，创新性地提出了“SENZ”方法。与当前主流的基于蛋白质相似性生成方法不同，SENZ转而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。

三重创新机制：解构与重组的“分子钥匙”

SENZ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：

1. 结构蓝图：锁定相似已知酶
   基于全球庞大的酶数据库，SENZ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”。这一机制充分利用了现有酶的结构信息，避免了从零开始的盲目设计。
2. 生物反应图谱：总结底层规律
   在一个独创的酶-底物分类器的精准指导下，SENZ总结出生物反应的底层规律，构建“生物反应图谱”。这一图谱为酶设计提供了理论依据，使得设计出的酶更具针对性和高效性。
3. 生成式AI：设计全新酶蛋白
   借助生成式AI，SENZ设计出能够高效、精准地催化目标底物的全新酶蛋白。生成式AI的强大计算能力和学习能力，使得酶设计过程更加高效和准确。

验证：设计自然界不存在的污染物克星

甲基膦酸盐降解酶：挑战与突破

为验证SENZ的先进性，研究团队设计了一个自然界不存在的污染物克星——甲基膦酸盐降解酶。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。

对比实验：SENZ的显著优势

团队将SENZ的设计结果与基于Transformer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。结果显示，SENZ生成的酶显著优于基线和天然酶。在催化效率上，SENZ设计的酶比天然酶提高了数倍甚至数十倍；在稳定性上，SENZ设计的酶在高温、高盐等极端环境下仍能保持良好的催化活性。

行业应用：开启生物制造的新纪元

医药领域：加速新药上市

在医药领域，SENZ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。例如，对于一些抗癌药物、抗病毒药物等，SENZ可以设计出特定的酶催化路径，使得药物合成更加高效、环保。这不仅有助于提高药物的质量和产量，还能降低药物的价格，让更多患者受益。

环保领域：治理顽固污染物

在环保领域，SENZ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。随着塑料污染的日益严重，如何有效降解塑料成为了全球关注的焦点。SENZ设计的“超级酶”可以针对不同类型的塑料进行降解，将塑料分解为无害的小分子，从而实现塑料的循环利用，减少对环境的污染。

生物制造领域：推动绿色生产

在生物制造领域，SENZ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。生物基材料是一种以可再生生物质为原料生产的材料，具有环保、可降解等优点。SENZ可以设计出高效的酶催化路径，使得生物基材料的生产成本降低，性能提高，从而推动生物基材料在各个领域的广泛应用。在精细化学品和食品添加剂的生产中，SENZ也可以提高生产效率，减少对环境的污染。

商业模式与市场前景：AI酶设计的蓝海市场

科研合作：技术输出的新模式

分子之心与香港理工大学的合作模式为AI酶设计技术的商业化提供了借鉴。通过与高校、科研机构的合作，企业可以获取前沿的科研成果，加速技术的转化和应用。同时，科研机构也可以借助企业的资金和市场资源，将科研成果推向市场，实现双赢。

产业定制：满足个性化需求

不同行业对酶的需求各不相同，SENZ方法可以根据不同行业的需求，定制专属的酶催化路径。例如，在制药行业，可以设计出针对特定药物分子的酶；在环保行业，可以设计出针对特定污染物的酶。这种个性化的定制服务将为企业带来更高的附加值，满足市场的多样化需求。

市场潜力：万亿级生物经济的催化剂

随着全球生物经济的快速发展，酶作为生物制造的核心要素，市场需求将持续增长。据市场研究机构预测，未来几年，全球酶市场规模将以每年10%以上的速度增长。SENZ方法的出现，将进一步推动酶市场的发展，为生物经济注入新的活力。

结语：AI酶设计引领生物制造新时代

SENZ方法的诞生，标志着中国在AI酶设计领域取得了重大突破。这一成果不仅解决了生物制造领域的“酶设计瓶颈”，还为医药、环保、生物制造等行业带来了新的发展机遇。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，AI酶设计将成为推动生物经济发展的重要力量。我们有理由相信，在AI酶设计的引领下，生物制造将迎来一个更加绿色、高效、创新的新时代。