转自：中国科学报

7月26日，中国科学院上海高等研究院（以下简称上海高研院）举办“国家蛋白质科学研究（上海）设施开放十周年学术论坛”。来自全国各领域的专家学者以及关心国家蛋白质科学研究（上海）设施（以下简称蛋白质设施）发展的友人齐聚，共话蛋白质设施的发展与科学创新。

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作为全球首个生命科学领域的综合性大科学装置，蛋白质设施现有九大技术系统，建立了从蛋白质样品制备、结构解析到功能研究的完整技术体系。

“我们的设施有着双重定位，服务于科研人员和产业界的同时，做好自己的研究，尤其是技术的研究。”蛋白质设施主任吴家睿表示。

打造生命科学研究“三甲医院”

“正如三甲医院中有着医术高明的医生和配套齐全的先进设备。建设之初，我们就致力于把蛋白质设施打造为生命科学研究的‘三甲医院’。”吴家睿表示，十年来，蛋白质设施通过整合先进的实验技术与自主研发的技术平台，形成了五大能力和九大系统，为生命科学基础研究和生物医药产业提供全方位的技术支持。

蛋白质设施凭借其高性能X射线衍射、冷冻电子显微镜、小角X射线散射等先进结构表征技术，与蛋白质设施规模化分子制备系统联用，建立了基于结构的高通量药物筛选与优化平台，实现了药物研发过程中的结构基础支持。吴家睿说道：“蛋白质设施能够为药物研发提供精准的结构数据，解决了传统筛选方法中存在的低通量、时间长、成本高等问题，大幅加速了从结构优化到临床阶段的研发进程。”

蛋白质科学的研究需要利用不同时空分辨率的仪器设备解析生物分子的空间结构。蛋白质设施建设了多时空尺度的蛋白质技术平台，通过多种结构表征技术方法的交叉融合，构建了多技术平台协同的生物分子动态结构分析平台，成功实现了蛋白质-小分子、蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸相互作用的结构解析。在抗体药物设计研究中，蛋白质设施通过该平台解析了多个抗体与其靶标的结合机制，并优化了药物的亲和力和选择性。

此外，顺应人工智能（AI）时代蛋白质科学发展的趋势，蛋白质设施联合上海科技大学建设“中国蛋白质结构数据库”（PDBc）。2022年，PDBc正式加入国际蛋白质结构数据库组织，成为继美国、日本、欧盟之后，全球第四个国家和地区成员，在世界蛋白质结构数据库的版图上点亮了中国地标。目前，PDBc注释审校的数据条目已覆盖我国本土投递蛋白质结构数据总量的95%，基本实现完全自主审校，并保持与国际数据库互联共享。

与此同时，蛋白质设施不断完善核心技术规范体系与质量控制机制，积极推动结构生物学相关技术应用领域技术标准的制定与推广。“蛋白质设施已具备为科研单位、医疗机构、生物医药企业提供高质量第三方检测服务的能力，在提升我国蛋白质科学数据的权威性、规范性和行业认可度方面发挥了积极作用。”吴家睿补充道。

基础研究和产业应用双重发力

开放十年来，蛋白质设施已服务全国504家科研单位，支撑2500余个研究团队、10万余人次用户开展实验研究，全国结构生物学方面的工作，超过50%与蛋白质设施相关。蛋白质设施参与完成的科研课题超过13400项，支持用户发表高水平研究论文4000余篇（包括136篇CNS论文）。

蛋白质设施充分发挥国家大科学装置在结构表征、功能解析与技术集成方面的优势，持续服务国家在生命健康、生物安全、农业可持续发展及生物医药产业创新等重点方向的战略需求，推动多项具有国际影响力的科研成果产出。

结合其在结构表征、高通量筛选与蛋白质结构数据库等多维度的平台优势，蛋白质设施持续赋能我国蛋白质设计与功能分子合成研究。蛋白质设施将支撑用户实现从头设计新酶、蛋白质工程、酶催化性能优化等高效研发，并积极推进AI建模与结构表征技术的融合，支撑下一代生物药物的工程设计与产业转化。

在帮助我国科学家科技成果转化方面，蛋白质设施也做出了独有的贡献，如助力先诺欣、来瑞特韦上市。蛋白质设施在多项药物研发工作中也提供了技术支撑，包括雷公藤红素治疗结肠癌的中药现代化研究、WB436B作为抗胰腺癌药物的临床研究等。

“蛋白质设施的一开始偏重于做基础研究，现在也逐渐加大对产业应用的支持。”吴家睿表示，“我们非常欢迎产业界来跟我们一起探讨科学问题，利用蛋白质设施把先进的设备和技术力量结合起来。”

面向生物医药、大健康等重点产业，蛋白质设施已构建从原子级结构解析到系统功能验证的全流程技术服务平台，积极促进产学研深度融合，参与解决产业用户在新药研发、结构优化、生物大分子药物递送等环节的技术难题。

目前，蛋白质设施已为超过100家生物医药企业提供高端技术服务，覆盖抗体工程、结构疫苗、细胞治疗、药物递送系统、合成生物学等领域。针对企业多样化技术需求，蛋白质设施推出了定制化技术解决方案，并探索联合实验室共建、平台共用、数据共享等多种合作机制，推动科技成果高效转化落地。

服务用户的同时，蛋白质设施积极开展与国际先进仪器生产厂家的合作，共同进行技术开发和推广运用，如与美国赛默飞公司共建“蛋白质动态分析联合实验室”，与德国布鲁克公司合作建立“生物核磁技术开发与用户服务中心”。

“十年来，蛋白质设施始终面向人民生命健康领域的重大需求，为生命科学研究和成果转化发挥了重要作用。”吴家睿说道。

向蛋白质设施2.0进发

吴家睿介绍，目前蛋白质设施正在主要围绕两个问题开展布局。

首先是面向科学前沿，开展蛋白质动态结构研究。目前，结构生物学已经取得了长足的发展，众多重要蛋白分子结构得到解析，为理解生命科学、新药研发等做出了系列贡献。然而，已解析的蛋白结构大多为静态结构，无法直观反映其在生命体中的动态变化过程。

针对此问题，一大解决路径是开展基于分子动力学计算机的蛋白质动态结构模拟。“一个蛋白质包含了上百万个原子，算力需求非常大。”吴家睿指出，“如果用现在的CPU或者GPU，模拟一个百万量级原子的蛋白需要十几年甚至更长时间，显然是走不通的。”

基于中国科学院自动化研究所原所长王东琳团队开发的MaPU代数处理器，上海思朗科技有限公司自主研发了“天穹”计算机，性能较GPU及传统超算系统提升2～4个数量级。

在整合实验技术的基础上，蛋白质设施已与上海思朗科技有限公司签署合作协议。“我们将发挥双方优势，通过建设生物大分子动态结构的分子动力学计算平台，形成实验数据和计算数据相互促进的闭环。目标是在微秒到纳秒时间尺度模拟蛋白质的动态构象变化，揭示其在生物过程中的功能机制，进而服务于新药研发等领域。”吴家睿说道。

另一个则是面向国家战略需求开展蛋白质智造。无细胞合成是合成生物学的颠覆性技术，也是各国在积极布局的重要方向。

吴家睿强调：“人工智造蛋白并不遥远。”2022年，中国科学技术大学教授刘海燕与合作者，突破传统蛋白设计依赖于天然蛋白质模板的局限，采用数据驱动策略，开辟了一条全新的蛋白质从头设计路线。团队从头设计合成的蛋白的空间结构正是由蛋白质设施解析获得。

如今，蛋白质设施也正在积极布局智能蛋白质设计与制造平台。蛋白质设施将对PDBc数据库与计算框架进行升级，并携手康码（上海）生物科技有限公司，联合打造全球首个高通量的“DNA-to-Protein蛋白质体外无细胞合成”智能制造装置。

“装置集蛋白设计、功能预测、体外合成于一体，形成设计-合成-验证全流程，支持非天然蛋白设计、酶活性调控因子的构建、可控模块化蛋白系统等前沿合成生物研究。”吴家睿表示，“基于装置，我们也希望打造蛋白序列设计、性能检验、实验数据互相推动的蛋白质智造‘闭环’。”

“如果说蛋白质设施的1.0版本是为生命科学研究提供技术服务的‘综合性三甲医院’，2.0版本则是‘数据生产力平台’。”吴家睿认为，在十周年的新起点上，蛋白质设施的新定位是“世界级蛋白质科学研究与智造基地”，不仅更好服务科学界和产业界用户，而且能够支持有关大科学计划的实施。