近幾年，AI for Science(AI4S)研究范式大熱，人工智能(AI)開始在科研產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中扮演著越來越重要的角色。在合成生物學(xué)領(lǐng)域，通過借助AI計算的底層建設(shè)能力，產(chǎn)品研發(fā)逐漸從實驗化、經(jīng)驗化走向了數(shù)字化、智能化，進而實現(xiàn)從生物合成向數(shù)字合成轉(zhuǎn)變。

而轉(zhuǎn)變成功與否，“數(shù)字基座”穩(wěn)不穩(wěn)是關(guān)鍵——通過建立科學(xué)、精準、高效的計算平臺，進而縮短合成生物學(xué)“從無到有”的造物時間。

SynGears™平臺，是欣貝萊計算團隊整合基因組解析(Genome Analysis)、進化分析(Evolution)、人工智能(Artificial Intelligence)、理性設(shè)計(Rational Design)和篩選(Screening)等前沿技術(shù)(“Gears”)自建的支持合成生物全場景設(shè)計的生物計算平臺，從前端設(shè)計到中下游開發(fā)，SynGears™平臺可為生物合成途徑挖掘、催化元件篩選和工業(yè)酶優(yōu)化改造等場景提供高效、有效的數(shù)字化解決方案。

圖| SynGears™平臺構(gòu)成

作為加速數(shù)據(jù)、模型、算力和實驗深度融合的“數(shù)字基座”，SynGears™平臺和齒輪(Gears)的傳動效用類似，發(fā)揮著推動欣貝萊生物合成研究和產(chǎn)業(yè)化進程的獨特作用：聚焦大健康領(lǐng)域，通過數(shù)據(jù)挖掘與分析、算法開發(fā)/模型構(gòu)建等，實現(xiàn)“干濕結(jié)合”研究模式的迭代優(yōu)化與升級，以輔助欣貝萊進行大宗醫(yī)藥原料、食品原料以及系列新型活性原料的研究開發(fā)和落地生產(chǎn)。

數(shù)據(jù)：多組學(xué)聯(lián)合分析

“基于多組學(xué)聯(lián)合分析，從海量數(shù)據(jù)中去偽存真，篩選出重點代謝通路、基因和代謝產(chǎn)物等數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)資源的標準化存儲�！�

處理多種數(shù)據(jù)類型(數(shù)據(jù)多模態(tài))是合成生物學(xué)研究的重要挑戰(zhàn)之一，這需要長期穩(wěn)健的數(shù)據(jù)工程建設(shè)。

欣貝萊計算團隊具備出色的基因組大數(shù)據(jù)挖掘能力，可基于多組學(xué)聯(lián)合分析，從海量數(shù)據(jù)中去偽存真，篩選出重點代謝通路、基因和代謝產(chǎn)物等數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)資源的標準化存儲——以此搭建形成了SynGears™平臺自有的天然產(chǎn)物綜合組學(xué)(基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組)數(shù)據(jù)庫和特色酶(結(jié)構(gòu)與活性功能)數(shù)據(jù)庫。

圖| 部分天然產(chǎn)物及其活性效用

目前，該數(shù)據(jù)庫已涵蓋數(shù)千個物種的天然產(chǎn)物合成基因簇及數(shù)以萬計的酶結(jié)構(gòu)與酶活性功能數(shù)據(jù)，并在不斷豐富與動態(tài)更新中，以實現(xiàn)生物系統(tǒng)從原料、元件到細胞的多尺度集成分析。

圖| 天然產(chǎn)物P450酶分析

模式：實現(xiàn)干濕結(jié)合的研究閉環(huán)

“在數(shù)據(jù)資源儲備的基礎(chǔ)之上，通過算法開發(fā)和大語言模型構(gòu)建，實現(xiàn)干濕結(jié)合的研究閉環(huán)，加快數(shù)據(jù)到實驗的研發(fā)進程�！�

強大的數(shù)據(jù)資源為深入探索生物合成研究提供了支撐�；�于該數(shù)據(jù)資源及AI+理性設(shè)計的一體化設(shè)置，SynGears™平臺可完成從算法開發(fā)/模型構(gòu)建到數(shù)據(jù)分析的一站式高通量計算任務(wù)，并通過積累濕實驗團隊反饋的驗證結(jié)果迭代優(yōu)化算法，形成干濕結(jié)合的研究閉環(huán)。

圖| 干濕結(jié)合的研究閉環(huán)

借助深度學(xué)習(xí)模型識別酶-底物結(jié)合作用，平臺能對大量未知功能酶進行高通量篩選和個性化分析，以獲取實際研究生產(chǎn)所需、得率遠超預(yù)期的特定酶，大大加快從數(shù)據(jù)到實驗的研發(fā)進程。

同時，SynGears™平臺還具備高精準度的一流酶改造能力——以構(gòu)建深度學(xué)習(xí)(DL)大模型為載體，欣貝萊已實現(xiàn)通過深⼊學(xué)習(xí)和理解蛋白序列底層特征的智能工業(yè)酶優(yōu)化，鏈接中下游的開發(fā)生產(chǎn)。

目前，欣貝萊計算團隊開發(fā)和測試了多種不同原理的突變體計算軟件與算法以構(gòu)建模型，對突變體的預(yù)測準確率和篩選活性等均已達到行業(yè)前沿水平，未來還將創(chuàng)新實現(xiàn)0樣本預(yù)測任務(wù)。

應(yīng)用：聚焦大健康領(lǐng)域

“通過聚焦大健康領(lǐng)域，助力欣貝萊進行大宗醫(yī)藥原料、食品原料以及系列新型活性原料的創(chuàng)新開發(fā)，或根據(jù)既定藥物分子/目標產(chǎn)品設(shè)計全新合成路線或新酶，大幅縮短‘造物’時間�！�

合成生物學(xué)通過天然產(chǎn)物生物合成研究賦能健康食品和生物醫(yī)藥等大健康領(lǐng)域，實現(xiàn)了顛覆式、低成本和可持續(xù)的創(chuàng)新。欣貝萊SynGears™平臺的搭建，則為該進程按下了“快進鍵”。

圖| SynGears™平臺賦能大健康領(lǐng)域

SynGears™平臺含括數(shù)據(jù)分析、算法開發(fā)和模型構(gòu)建等多種功能模塊，但并非對這些底層技術(shù)進行簡單的堆疊相加，而是根據(jù)研發(fā)實際需求組合各功能模塊，助力大數(shù)據(jù)在合成生物學(xué)領(lǐng)域各個研發(fā)環(huán)節(jié)的全場景設(shè)計及應(yīng)用實現(xiàn)。

在研發(fā)前段基因篩選、活性改造之外，工業(yè)菌株及工業(yè)酶的穩(wěn)定性優(yōu)化對于中下游生產(chǎn)放大和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。SynGears™平臺能夠利用計算機輔助設(shè)計，定位出酶的柔性與剛性區(qū)域，并針對柔性區(qū)域進行剛性改造，以大幅提升相關(guān)酶穩(wěn)定性，實現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)、合成生物學(xué)技術(shù)對現(xiàn)有市場的降本增效。

數(shù)據(jù)挖掘與算法/模型構(gòu)建在研發(fā)上的高效應(yīng)用，離不開強大的算力支持�，F(xiàn)階段，SynGears™平臺已配套高數(shù)量級硬件設(shè)備支撐運行，是由AI驅(qū)動的支持全場景通用研究的高算力“數(shù)字基座”。隨著自有數(shù)據(jù)庫積累、算法開發(fā)優(yōu)化和模型應(yīng)用訓(xùn)練的深入，平臺將不斷迭代升級，朝著更大規(guī)模、更一體化的方向發(fā)展。

作為欣貝萊數(shù)字合成藍圖構(gòu)建的起點，SynGears™平臺為揭示天然產(chǎn)物的進化規(guī)律、理解生物合成酶，甚至設(shè)計改造生物合成體系創(chuàng)造非天然分子提供了可能。未來，平臺將加強與研發(fā)、生產(chǎn)的鏈接，進一步深化“干濕結(jié)合”研究閉環(huán)，以真正意義上實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、算力和實驗的深度融合，通過全場景設(shè)計賦能欣貝萊在大健康領(lǐng)域的創(chuàng)新開發(fā)。