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AI4S · 生命科学 · PROTEIN

蛋白质与分子设计

蛋白质的功能由它折叠成的三维形状决定。过去测一个蛋白的结构,要做几个月甚至几年的晶体学实验;AlphaFold 2 在 2020 年把这件事变成了几分钟的计算,2024 年的诺贝尔化学奖也因此颁给了哈萨比斯、江珀与大卫·贝克。

下一步是反过来:不是给定序列猜形状,而是给定想要的功能,设计出一条能折成那个形状的序列。扩散模型与蛋白质语言模型让「设计」这一步真正可用,设计出的蛋白已经能在实验室里表达出来并按预期工作。

验证器:验证一个结果要多久、多贵

计算上的代理指标(预测置信度、结构一致性)几乎免费;真正的验证要把蛋白表达出来、测结构或测活性,周期是几周。验证器相对便宜,所以这个方向最先成熟。

SOTA 模型在这里扮演什么

通用大模型在这里主要是调度者,而不是主力:结构预测和设计由专用模型完成,大模型负责读文献、写分析代码、串起工具链(例如 Claude Science 集成了 Boltz-2、OpenFold3 等专用模型)。

ENTRIES · 5 个条目,按成熟度从高到低

代表工作

L2 设计模型NEW · 2026 年 9 月

RFdiffusion

华盛顿大学蛋白质设计研究所 · 2023-07 · 开放权重

用扩散模型从噪声中「生长」出蛋白质骨架,按需设计结合蛋白、对称组装体与酶活性位点。

让蛋白质设计从少数专家的手艺变成可规模化的流程,设计结果经实验解析的结构与计算设计高度吻合。

事实与来源
  • 论文《De novo design of protein structure and function with RFdiffusion》,设计出的结合蛋白经冷冻电镜解析,结构与设计模型几乎一致Nature 620, 1089–1100 (2023)
  • 诺贝尔奖2024 年诺贝尔化学奖一半授予大卫·贝克,表彰「计算蛋白质设计」nobelprize.org
论文代码
L2 设计模型NEW · 2026 年 9 月

ESM3

EvolutionaryScale · 2024-06 · 开放权重

同时理解蛋白质序列、结构与功能的生成式语言模型,可以按提示「写」出新蛋白。

设计出一个与已知荧光蛋白差异很大、但真的会发光的蛋白——语言模型路线做「设计」的代表作。

事实与来源
  • esmGFP生成的荧光蛋白 esmGFP 与最接近的已知荧光蛋白序列同一性仅 58%,官方称相当于自然演化超过 5 亿年的距离Science 387, 850–858 (2025);「5 亿年」为官方口径
  • 开放状态开放了较小的 ESM3-open 版本权重,最大版本通过 API 提供官方口径
论文
L2 设计模型NEW · 2026 年 9 月

AlphaProteo

Google DeepMind · 2024-09 · 未发布

给定一个靶点蛋白,直接设计出能与之高亲和力结合的新蛋白(结合剂)。

在七个靶点上湿实验验证过,并首次为 VEGF-A 设计出可用的结合剂;但模型未开放,外部无法复现。

事实与来源
  • 论文七个靶点上结合亲和力比现有最佳方法高 3–300 倍,实验成功率更高;首个成功设计 VEGF-A 结合剂的计算方法arXiv:2409.08022
论文
L1 预测模型NEW · 2026 年 9 月

AlphaFold 2

Google DeepMind · 2021-07 · 开放权重

从氨基酸序列直接预测单个蛋白质的三维结构,把一个五十年的难题变成了查表。

AI4S 的起点事件:CASP14 上的精度接近实验解析水平,随后开放的结构数据库成了生物学的公共基础设施。

事实与来源
  • 论文《Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold》,CASP14 中位 GDT 约 92.4Nature 596, 583–589 (2021)
  • 诺贝尔奖2024 年诺贝尔化学奖另一半授予哈萨比斯与江珀,表彰蛋白质结构预测nobelprize.org
论文代码
L1 预测模型NEW · 2026 年 9 月

AlphaFold 3

Google DeepMind · 2024-05 · 开放权重

把结构预测从单个蛋白扩展到蛋白质与 DNA、RNA、小分子配体等组成的复合物。

预测这一层的标杆,已是药物研发的日常工具;但它回答的是「长什么样」,不回答「怎么设计」。

事实与来源
  • 能力预测蛋白质与 DNA、RNA、配体、离子等生物分子复合物的结构;官方称在蛋白质-配体相互作用上比现有方法至少提升 50%官方口径;Nature 630, 493–500 (2024)
  • 开放状态2024 年 11 月起向学术用途开放代码与模型权重(需申请)官方口径
论文
FROM THE ENGINES · 两个引擎递过来的

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三家都在 2026 年把通用模型推进了科研流程;目前加速的是文献、分析、写作与实验设计,验证环节——湿实验与临床——一步也没有变快。
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