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凝視著手中的試管，又望向桌上那些依舊在各司其職的大大小小的實(shí)驗(yàn)儀器，趙惠民的一顆心像是被人用力攥著。他明白，已經(jīng)到了不得不放棄的時(shí)候。讀博第三年，學(xué)校資格考試的巨大壓力如海嘯般傾瀉而來，這項(xiàng)奮戰(zhàn)了兩年但依然沒走通的課題，被他親手按下了停止鍵。事情雖然過去了30年，趙惠民現(xiàn)已是美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授，但那時(shí)候的痛苦仍然記憶猶新。他不吝與自己的學(xué)生分享科研路上曾有過的至暗經(jīng)歷，因?yàn)榭蒲斜揪褪且粭l“光榮的荊棘路”，學(xué)會(huì)接受失敗，是必修課。“科學(xué)探索是無止境的，而且有很多的不可預(yù)測(cè)性，這就是做科研的魅力所在。”趙惠民并未因一次磕絆而止步，23年間，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)累結(jié)碩果，在Nature、Science、Cell發(fā)表過7篇論文，在Nature子刊發(fā)表過30來篇論文。北京時(shí)間3月31日，趙惠民團(tuán)隊(duì)再次在Science發(fā)表研究論文。這回，他們發(fā)明了一種新的AI工具，可以根據(jù)酶的氨基酸序列預(yù)測(cè)酶的功能。就像ChatGPT使用文字?jǐn)?shù)據(jù)來創(chuàng)建預(yù)測(cè)文本一樣，他們正在利用蛋白質(zhì)的語言來預(yù)測(cè)它們的功能。30多年后又回到原點(diǎn)
80年代流傳著一句順口溜“窮清華，富北大，不要命的上科大”。趙惠民就是“不要命”的那一個(gè)。
1987年，他以優(yōu)異的成績從浙江嘉興一中考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）生物系學(xué)習(xí)。他對(duì)科研的興趣從這里萌發(fā)。“那時(shí)候，中國科大的訓(xùn)練非常嚴(yán)格，學(xué)風(fēng)在高校中名列前茅，5年制教學(xué)課程任務(wù)重，科研氛圍很濃。”趙惠民告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。前三年他就掌握了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)。后來，趙惠民成了施蘊(yùn)渝（1997年當(dāng)選中國科學(xué)院院士）的學(xué)生。彼時(shí)，施蘊(yùn)渝剛從國外進(jìn)修回來，率先在國內(nèi)開展蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的計(jì)算生物學(xué)研究。受老師指引，趙惠民開啟了分子動(dòng)力學(xué)方面的計(jì)算模擬研究。為了開闊眼界、提升自己，本科畢業(yè)后，23歲的趙惠民在1992年到美國加州理工學(xué)院讀博，第一次接觸到了酶工程。從那以后，他便與酶結(jié)下了不解之緣。酶有多重要呢？它是一種生物催化劑，在生命體系中扮演著關(guān)鍵的角色，控制和調(diào)節(jié)各種代謝途徑，保障它們高效工作。研究酶的都希望把它的功能改造得更好，實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定、更優(yōu)質(zhì)的催化劑。趙惠民獨(dú)辟蹊徑，想去預(yù)測(cè)酶的功能。如果這個(gè)想法能夠?qū)崿F(xiàn)，將是一次偉大的革新。8年前，他的實(shí)驗(yàn)室自主建立了一套全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。6年前，他開始涉獵人工智能領(lǐng)域，想把AI技術(shù)與合成生物學(xué)、自動(dòng)化結(jié)合起來，以期能更快地改造酶工程或者代謝工程。在中國科大積累的計(jì)算模擬知識(shí)重新派上了用場(chǎng)。“沒想到兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)30多年，又回到了原點(diǎn)。”趙惠民感慨道，“可見，很多東西你學(xué)的時(shí)候沒多大用，但說不定將來哪個(gè)時(shí)候就能發(fā)揮價(jià)值。”從搭建儀器到設(shè)計(jì)流程，為了保證機(jī)器能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，趙惠民煞費(fèi)苦心，終于在2014年搭建了第一臺(tái)原型機(jī)，在2020年完成了強(qiáng)化版。一切正式起步。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用了3年時(shí)間，研發(fā)出被稱為 CLEAN的人工智能工具。論文在線后，通過網(wǎng)絡(luò)界面，研究人員只需在搜索框中輸入序列，就像搜索引擎一樣，可以看到結(jié)果。“我們并非第一個(gè)使用人工智能工具預(yù)測(cè)酶功能的人，但我們是第一個(gè)使用這種稱為對(duì)比學(xué)習(xí)的新深度學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)酶功能的人。我們發(fā)現(xiàn)這種算法比其他研發(fā)出的人工智能工具更準(zhǔn)確、更可靠、更靈敏。”趙惠民表示。無論是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)還是工業(yè)界，這種工具都將幫助研究人員快速識(shí)別合成化學(xué)物質(zhì)和材料所需的最合適的酶。“投頂刊比較順的一次”
2022年10月8日，一切準(zhǔn)備就緒，趙惠民將這項(xiàng)研究成果投給了Science。
手握多篇Nature、Science，有著豐富投稿經(jīng)歷的他，預(yù)感這次不會(huì)遭遇審稿人“刁難”，他對(duì)這項(xiàng)成果有信心。果不其然，文章很快通過編輯這一關(guān)，送入外審。不到兩個(gè)月，趙惠民就拿到了審稿人的意見。審稿人都給出了積極正面的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這項(xiàng)研究成果里用的人工智能的算法非常新穎。最關(guān)鍵的是，很多做人工智能的，投出的文章中幾乎都是用數(shù)據(jù)組去測(cè)試這個(gè)工具有多好，而趙惠民團(tuán)隊(duì)不僅有計(jì)算機(jī)的確認(rèn)論證，還提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。通過計(jì)算和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該工具不僅可以預(yù)測(cè)以前未表征的酶的功能，還可以糾正被領(lǐng)先軟件錯(cuò)誤標(biāo)記的酶，并正確識(shí)別具有兩種或多種功能的酶。當(dāng)然，研究并非盡善盡美，審稿人還是提出了一些小意見。因?yàn)轭A(yù)測(cè)并非百分百準(zhǔn)確，審稿人希望作者做更仔細(xì)的研究，回答預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率到底是多少。趙惠民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)緊鑼密鼓地進(jìn)行了2個(gè)月補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，重新加入了很多新數(shù)據(jù)。改進(jìn)后的文章在2023年1月底再次送審，不到一個(gè)月文章就被接收，文章從投稿到發(fā)表僅5個(gè)月。在趙惠民看來，論文在Science上發(fā)表只是邁出第一步。他們計(jì)劃擴(kuò)大CLEAN背后的人工智能，進(jìn)一步開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以表征其他蛋白質(zhì)，如結(jié)合蛋白。“有很多未被表征的結(jié)合蛋白，如受體和轉(zhuǎn)錄因子，我們也想預(yù)測(cè)它們的功能。”趙惠民有一個(gè)宏大的愿望，他想預(yù)測(cè)所有蛋白質(zhì)的功能，這樣就可以對(duì)細(xì)胞中的所有蛋白質(zhì)了如指掌，以便更好地研究或設(shè)計(jì)整個(gè)細(xì)胞用于生物技術(shù)或生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。為了讓這款工具愈發(fā)強(qiáng)大，該團(tuán)隊(duì)還在訪問頁面專門設(shè)置了一個(gè)鍵，用戶可以點(diǎn)進(jìn)去輸入反饋意見。“希望大家多提意見，我們會(huì)根據(jù)反饋再增加一些新的功能。”
在美國做科研一點(diǎn)也不容易
趙惠民團(tuán)隊(duì)集體合影 受訪者供圖閑暇時(shí)，趙惠民常跟自己的學(xué)生很走心地分享過往經(jīng)歷，想讓他們明白做科研本就不是那么一帆風(fēng)順。“一個(gè)6年時(shí)間做出的成果，別人重復(fù)一遍可能只需幾個(gè)月就能實(shí)現(xiàn)。為什么你花了6年？因?yàn)檫@個(gè)階段你一直在試錯(cuò)，科研就是在不斷試錯(cuò)中尋找正確的方向。當(dāng)走不通的時(shí)候要學(xué)會(huì)放手，雖然這的確非常痛苦。”趙惠民說。30年前，他就曾因?yàn)榭己藟毫?，不得不放棄一個(gè)兩年都未走通的研究?？蒲袨槭裁醋尯芏嗳送鴧s步，就是因?yàn)檎l也不知道哪條路能走通，外在的壓力瘋狂地推搡你，每位科研工作者都是在荊棘叢里艱難摸索前進(jìn)的方向。“常聽朋友說在國內(nèi)做科研很‘卷’，有些人會(huì)以為在美國做科研很輕松，從我的親身經(jīng)歷來說一點(diǎn)也不容易。”趙惠民表示。他讀博的時(shí)候，就有好幾個(gè)同年進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，因?yàn)轫敳蛔毫?，沒拿到學(xué)位就心灰意冷地離開了。好在他跨過黑暗，選擇再度出發(fā)，成為了美國加州理工學(xué)院教授Frances H. Arnold最有成就的弟子之一。后來在2018年，Arnold因?yàn)?ldquo;酶定向進(jìn)化”上的突出成就，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在Arnold所獲得的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)背景材料中，趙惠民在5篇關(guān)鍵論文里都有署名，其中有4篇還是第一作者。2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)科學(xué)背景材料中關(guān)于趙惠民與Arnold教授的合作研究2018年，在斯德哥爾摩諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮后，Arnold與趙惠民合影留念。受訪者供圖導(dǎo)師帶給趙惠民的影響除了科研上的飛躍，還有做人做事的改變。Arnold對(duì)學(xué)生總是直來直往，毫不留情地當(dāng)面指出缺點(diǎn)。“我們中國人說話都比較委婉，當(dāng)面批評(píng)多少有點(diǎn)讓人下不了臺(tái)。所以剛?cè)サ臅r(shí)候，不太適應(yīng)，她的嚴(yán)厲，有時(shí)候連美國學(xué)生也吃不消。”但相處久了，他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)師的很多反饋就像酶一樣，催動(dòng)著他極快成長和進(jìn)步。后來他帶學(xué)生時(shí)，也習(xí)慣就事論事，不繞彎子，并且鼓勵(lì)學(xué)生勇于表達(dá)自己的意見和idea，最好跟他爭論個(gè)面紅耳赤。時(shí)光荏苒，一晃已年過半百，他帶的很多學(xué)生逐漸從科研小白成長為一些高校、科研院所的中堅(jiān)力量。其中，33人在做教授，回國內(nèi)做教授的就有15人。現(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)有近50個(gè)成員，來自世界多個(gè)國家，中國人占了大多數(shù)。他不是那種只會(huì)吩咐任務(wù)的“一言堂”導(dǎo)師，他喜歡適當(dāng)“放手”培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性和創(chuàng)造性，同時(shí)又會(huì)保持與學(xué)生的溝通交流。在他的實(shí)驗(yàn)室，一周舉行一次大組會(huì)，兩周一次小組會(huì)，組會(huì)上每個(gè)人都可以頭腦風(fēng)暴、任意發(fā)言。即使出差，他也會(huì)跟學(xué)生開視頻聯(lián)系。這些年來，趙惠民對(duì)國內(nèi)科研飛速的發(fā)展很是感慨，“國內(nèi)現(xiàn)在的科研環(huán)境與我讀本科那時(shí)候比不可同日而語，簡直一個(gè)天上一個(gè)地下?，F(xiàn)在各種各樣的基礎(chǔ)設(shè)施都齊備，哪像我在國內(nèi)做科研的時(shí)候，買一個(gè)酶試劑，都要至少等半年才能拿到，一些實(shí)驗(yàn)用的管子都是反復(fù)用了洗、洗了用。”一方面，他認(rèn)為國內(nèi)青年學(xué)者應(yīng)當(dāng)珍惜當(dāng)下科研環(huán)境；另一方面，他也指出硬件方面雖好，還更應(yīng)該在科研評(píng)價(jià)體系上改進(jìn)，讓青年科研人員能更好地激發(fā)積極性和創(chuàng)造性。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2465
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