上海交大鲁洪中教授:AI驱动的细胞工厂数字建模与精准设计研究

Speaker:

鲁洪中

上海交通大学 副教授

上海交通大学生命科学技术学院长聘教轨副教授，细胞数字建模课题组组长、独立PI、博导。长期从事于细胞代谢网络数字化建模，并将最新的多维细胞代谢模型应用于菌株智能设计和生物大数据分析等前沿领域。相关成果以一作或通讯作者发表于PNAS (2篇)、Nat. Commun.、Mol. Syst. Biol. (2篇)、Metab. Eng.、和Trends. Biotechnol.等国际知名期刊。主持国家自然科学基金2项和横向课题3项、参与国家重点研发计划1项和上海市合成生物学重大专项1项，申请专利8项（获批4项）。入选2022年上海市浦江人才计划，担任中国微生物学会生化过程模型化与控制专业委员会委员以及中国生物物理学会代谢组学分会青年委员会委员等。

Talk title:

AI驱动的细胞工厂数字建模与精准设计研究

Talk abstract:

随着合成生物学的飞速发展，细胞工厂的高效构建已成为绿色生物制造的核心引擎。

然而，传统代谢工程长期受制于经验依赖型的试错开发模式，难以系统揭示复杂代谢网络中多基因协同作用的非线性规律，更无法精准解析细胞内蛋白质资源的动态分配机制与代谢流瓶颈，严重制约了工业菌株的开发效率与目标产物产量。

面对上述挑战，我们围绕 “细胞代谢精准模拟与理性设计” 这一关键科学问题，深度融合前沿人工智能技术，自主研发了 AlphaGEM 与 EnzymeTuning 两款高性能工具包，分别实现了非模式物种基因组尺度代谢模型与酶约束模型的自动化构建，有效解决了工业菌株代谢模型构建中普遍存在的耗时长、精度差及人工依赖度高等技术瓶颈。

为进一步突破细胞动态调控的黑箱，我们将领域先验知识与 Transformer 等深度学习架构有机融合，成功构建了能够精准刻画酵母动态转录调控关系的分布式神经网络模型（DLTRNM），并开发了酵母单细胞基础大模型（scYeast），为酵母系统生物学研究提供了高分辨率的数字化工具。

在菌株智能设计领域，我们基于酶约束代谢模型开发了一系列原创算法与工具，如 ecFactory、MetaStrain 和 StrainOptimizer 等，能够自动预测促进目标产物高效合成的基因过表达、弱化、敲除等改造靶点及其最优协同组合策略，大幅提升了高性能菌株定向改造的精度与成功率。

综上所述，本研究形成了机理知识与深度学习双轮驱动的细胞数字建模技术体系，有力推动了菌株改造从 “经验试错” 向 “理性设计” 的范式变革，为我国绿色生物制造与生物医药产业中底盘菌株的可持续迭代升级提供了关键技术支撑。

戴振武

西湖大学 博士生

Guomics

西湖大学蛋白质组复杂科学实验室（Guomics）是依托西湖大学、西湖实验室（生命科学和生物医学浙江省实验室）和医学蛋白质组全国重点实验室成立的一个多学科交叉的AI蛋白质组学实验室。实验室长期从事蛋白质组学相关研究，联合人工智能，构建虚拟细胞，解析生物过程的原理，助力疾病诊疗。团队诚邀有志于虚拟细胞研究的优秀本科生、研究生及博士后研究人员加盟！实验室官网：guomics.com

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