第25讲 · EECS 189:AI 用于蛋白质工程

UC Berkeley EECS 189/289A《机器学习导论》2026 春季 · 课堂实录重构

原始标题 AI for Protein Engineering(客座讲座)
视频 https://www.youtube.com/watch?v=V-SJk4AJ-xc
课程主页 https://eecs189.org/sp26/
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对应讲次:第25讲(UC Berkeley EECS 189 机器学习导论)

制作模型:deepseek-flash(coding-agent / pi;据 ~/.pi/agent/settings.json)

说明:本讲为客座讲座,主题是蛋白质结构预测与机器学习驱动的蛋白质工程。

说明:课程材料版权归 UC Berkeley 及授课教师所有,本书仅供学习

本讲路线图

(参考时间: 00:00)

  1. 蛋白质基础:氨基酸序列 → 三维结构;蛋白质为何无处不在;
  2. 蛋白质结构预测:证明原理、CASP 竞赛、AlphaFold2、MSA 与协方差、可信度校准;
  3. 蛋白质工程:近乎无穷的设计空间、两条诺奖路线(能量函数 vs 定向进化);
  4. ML 蛋白质工程的挑战:设计中的对抗性、「香蕉」类比、条件生成与贝叶斯法则;
  5. 案例:AAV 基因治疗载体文库设计、多样本随机选择模型、适应度景观。
标题页

📷 标题页
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CS 189/289

📷 CS 189/289
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一、蛋白质基础

(参考时间: 00:00)

蛋白质是生命的主力分子。基因组由核苷酸(A/C/T/G)组成,三个核苷酸编码一个氨基酸;20 种标准氨基酸串成的序列(字母串)决定蛋白质。

绿色荧光蛋白(GFP):2008 年诺奖,是生物学的「标签」工具;序列是一维字符串,但在细胞中会自组装折叠成三维结构(视频演示)。

蛋白质无处不在:

绿色荧光蛋白

📷 绿色荧光蛋白
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塑料回收(PETase)、CO₂ 生物封存(RuBisCO)

📷 塑料回收(PETase)、CO₂ 生物封存(RuBisCO)
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蛋白质结构预测

📷 蛋白质结构预测
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(空白页)

📷 (空白页)
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二、蛋白质结构预测

2.1 问题与证明原理

(参考时间: 00:08)

蛋白质结构预测:给氨基酸序列,输出每个原子的三维坐标(以及相对取向)。

为什么相信它可能? Anfinsen 的湿实验证明:把纯序列放进空玻璃瓶(脱离细胞环境)它会自发折叠成正确结构——说明序列足以决定结构,所以应能造出计算机程序逼近这套物理。但进度缓慢,50 年后才有真正突破。

首次……

📷 首次……
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(Jinbo Xu, TTI 的幻灯片)

📷 (Jinbo Xu, TTI 的幻灯片)
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CASP 竞赛是关键推动力:专家用X 射线晶体学测出结构(历史上一枚要 2 年、一位博后一个博士的时间),保留不公开用于盲测。评估指标大致是对齐后的原子 RMSD。2018 年 ML 首次成为主要竞争者,AlphaFold2 带来质的飞跃。

晶体学:把蛋白缓慢结晶成晶格,用 X 射线衍射,从衍射图反推结构(本身也是极难的数学问题,且有时分辨率不足)。如今可用 AlphaFold 辅助解读晶体学数据,形成良性循环。

AlphaFold2:「几乎端到端」的神经网络(一)

📷 AlphaFold2:「几乎端到端」的神经网络(一)
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AlphaFold2(二)

📷 AlphaFold2(二)
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AlphaFold2(三)

📷 AlphaFold2(三)
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AlphaFold2(四)

📷 AlphaFold2(四)
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2.2 AlphaFold2 的关键

(参考时间: 00:13)

重要澄清:不是"AI 凭空解决了问题"——AlphaFold2 的成功建立在一个连续多年的关键概念上:多序列比对(MSA, Multiple Sequence Alignment)。

MSA 与协方差:

AlphaFold2 的要点:

两个深刻洞察:

  1. 置信度是良好校准的——AlphaFold「知道自己何时对、何时错」,对下游任务极有用;
  2. 去掉 MSA 就不工作 ⇒ 说明它不是在真正做物理,而是在利用进化信息"作弊";若真有好的物理模拟器,就不需要 MSA。

讲师盛赞 DeepMind 选对了一个恰好能被 AI 解锁的科学问题,而且它依赖约 200 亿美元的公版数据和多年蛋白质研究积累——不是"随便下载数据丢个神经网络"就行。AlphaFold2 之后仍需用传统方法做物理合法性校正(AI 会给出原子重叠等无意义结果)。物理归纳偏置(如旋转等变性)只被极少地纳入。

关于 AlphaFold2 的一些思考

📷 关于 AlphaFold2 的一些思考
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CS 189/289

📷 CS 189/289
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三、蛋白质工程

3.1 设计空间近乎无穷

(参考时间: 00:32)

蛋白质工程 = 指定氨基酸序列,使得蛋白具有我们想要的功能。

历史上的两条路线(都在近十年获诺奖):

  1. 基于计算/能量函数(David Baker,2024 诺奖):用生物物理能量函数(粗粒化的薛定谔方程近似,含范德华力、共价键等)搜索使能量最小的结构,做结构预测与设计;不用数据驱动学习;
  2. 定向进化(directed evolution)(Frances Arnold,2018 诺奖):在实验室里随机突变 + 筛选 + 迭代——像贪婪优化:随机扰动 → 测量 → 保留最好的 → 再来。慢、贵、费力,但改变了世界。

如今 ML 正渗透这两条路线,使它们相互交织。

近乎无穷的设计空间这一根本困难

📷 近乎无穷的设计空间这一根本困难
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在这个复杂空间中导航的成功案例

📷 在这个复杂空间中导航的成功案例
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迄今为止的蛋白质工程策略

📷 迄今为止的蛋白质工程策略
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3.2 AlphaFold 解决蛋白质工程了吗?

没有。AlphaFold 做的是 sequence → structure;而蛋白质工程需要输出序列。要借鉴 AlphaFold,得把它反过来:训练 structure → sequence 的 inverse folding(逆折叠) 模型。

AlphaFold2/3「解决」蛋白质工程了吗?

📷 AlphaFold2/3「解决」蛋白质工程了吗?
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一系列 ML 蛋白质工程问题

📷 一系列 ML 蛋白质工程问题
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主链

📷 主链
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3.3 ML 蛋白质工程的趋势

在蛋白质工程里(不同于 CV/NLP),必须从一切可用信息中榨取价值:晶体结构、AlphaFold 预测(还要先判断它在这个蛋白上准不准)、湿实验数据、他人的数据……并聪明地融合。

ML + 蛋白质工程的一些趋势(一)

📷 ML + 蛋白质工程的一些趋势(一)
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ML + 蛋白质工程的一些趋势(二)

📷 ML + 蛋白质工程的一些趋势(二)
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ML + 蛋白质工程的一些趋势(三)

📷 ML + 蛋白质工程的一些趋势(三)
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ML + 蛋白质工程的一些趋势(四)

📷 ML + 蛋白质工程的一些趋势(四)
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ML + 蛋白质工程的一些趋势(五)

📷 ML + 蛋白质工程的一些趋势(五)
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3.4 「香蕉」类比:设计中的对抗性

(参考时间: 00:58)

问题设定:假设有 10 万条序列及其催化效率标注,训练一个回归模型 $f$;然后不重训,而是反转它——固定参数,对输入做梯度下降,让输出(催化效率)尽可能高,得到一条序列。

CV 类比:训练一个图像分类器,把「香蕉」节点设为 1,对其余设 0,对输入图像做梯度下降,问网络「心中的标准香蕉」是什么。结果得到的是抽象画——颜色和轮廓对,但完全不像真的香蕉。

原因:设计时我们是模型的对手(adversary)——把模型压榨到极限,会把我们带到训练数据从未涉及的区域,只是空间的某个「怪癖」恰好让预测值高。对蛋白而言,很可能得到一条根本不折叠的死蛋白。这是神经网络「在训练流形之外,一切都没有保证」的一般现象,也是对抗样本(adversarial examples)(如对停车标志做难以察觉的扰动,却被预测为让行标志)的同一根源。

结论:直接反转 NN 做设计,很可能落入病态区域。

类比:我们能信任「香蕉」设计吗?

📷 类比:我们能信任「香蕉」设计吗?
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目标性质

📷 目标性质
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DNN 的病态:设计中我们是对手

📷 DNN 的病态:设计中我们是对手
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我们组攻克的基于 ML 的设计挑战(一)

📷 我们组攻克的基于 ML 的设计挑战(一)
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基于 ML 的设计挑战(二)

📷 基于 ML 的设计挑战(二)
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基于 ML 的设计挑战(三)

📷 基于 ML 的设计挑战(三)
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基于 ML 的设计挑战(四)

📷 基于 ML 的设计挑战(四)
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主链

📷 主链
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3.5 条件设计:贝叶斯法则与扩散/流模型

目标:从条件密度 $p(x\mid y)$ 采样($x$ = 序列/结构,$y$ = 我们想要的性质)。

三种(统计上正确的)做法,核心是贝叶斯法则:

$$ p(x\mid y)=\frac{p(y\mid x)\,p(x)}{p(y)} $$

难点:归一化常数 $p(y)=\int p(y\mid x)p(x)\,dx$ 通常不可计算。

扩散 / 流匹配 / score 模型的妙处:不估计密度 $p(x)$ 本身,而是估计密度对 $x$ 的梯度(score)$\nabla_x\log p(x)$。把它代入贝叶斯法则:

$$ \nabla_x\log p(x\mid y)=\nabla_x\log p(y\mid x)+\nabla_x\log p(x) $$

因为 $p(y)$ 不含 $x$,其梯度为 0——归一化常数自动消失!代价是:要采样必须对梯度做积分(比自回归模型直接采样复杂得多),这正是扩散模型的核心。

这套「大无条件模型 + 小预测模型 → 贝叶斯」的思路也适用于 NLP(prompt 就是条件)和机器人控制。幻灯片里的 Taylor Swift 彩蛋就是调侃归一化常数 $p(y)$「down bad」(难算)。

如何为设计设置条件:$x\sim p(x\mid y)$?(一)

📷 如何为设计设置条件:$x\sim p(x\mid y)$?(一)
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如何为设计设置条件(二)

📷 如何为设计设置条件(二)
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如何为设计设置条件(三)

📷 如何为设计设置条件(三)
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三种(统计上正确的)做法

📷 三种(统计上正确的)做法
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你(应该)在用贝叶斯法则!

📷 你(应该)在用贝叶斯法则!
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扩散/流匹配/score 模型之美

📷 扩散/流匹配/score 模型之美
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离散状态空间上的扩散/流?

📷 离散状态空间上的扩散/流?
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为离散……解锁引导

📷 为离散……解锁引导
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贝叶斯法则又变简单了!

📷 贝叶斯法则又变简单了!
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(引文)

📷 (引文)
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四、案例:AAV 载体文库设计

(参考时间: 00:44)

背景:AAV(腺相关病毒) 是基因治疗的热门载体,已有多个临床试验成功;但递送到目标组织/细胞效率低。我们对 AAV 外壳蛋白做工程以提升递送。

AAV 文库设计流程:

  1. 设计候选序列文库;
  2. 建立机器学习预测模型(从小规模实验数据学习多样性与适应度的关系);
  3. 反向利用 ML 预测模型,得到多样性-适应度最优曲线;
  4. 湿实验验证。

结果:预测与实验的 Pearson 相关 = 0.96(p=0.001)。

统计视角:所有花哨名称的生成模型,本质都是估计条件密度并采样——只是「用 AI 语言包装的现代统计学」。本讲的模型框架可迁移到其他离散对象领域(小分子、材料、自然语言)。

为基因治疗递送工程化 AAV

📷 为基因治疗递送工程化 AAV
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有前景的 AAV 临床试验

📷 有前景的 AAV 临床试验
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递送到目标组织/细胞效率低

📷 递送到目标组织/细胞效率低
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AAV 文库设计(一)

📷 AAV 文库设计(一)
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AAV 文库设计(二)

📷 AAV 文库设计(二)
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反转 ML 预测模型以得到多样性-适应度最优曲线

📷 反转 ML 预测模型以得到多样性-适应度最优曲线
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在实验室中验证

📷 在实验室中验证
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Pearson 相关 = 0.96(p=0.001)

📷 Pearson 相关 = 0.96(p=0.001)
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AAV 文库设计(三)

📷 AAV 文库设计(三)
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团队

📷 团队
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4.1 多样本随机选择模型

筛选平台:在天然界面(natural interface) 上做蛋白质文库的高通量筛选,提出新的科学问题。

统计 ML 方法:多轮概率选择模型——模拟每一轮「结合 → 洗脱 → 扩增」的筛选过程,从多轮数据中 jointly 推断每个变体的结合适应度。

上位性(epistasis)分析:分析结合适应度景观(fitness landscape) 中的成对上位性;发现成对上位性的强度与……成反比;对比天然 vs 合成景观的几何结构(模拟约 400 万条进化序列)。

近来用于筛选蛋白质文库的平台

📷 近来用于筛选蛋白质文库的平台
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天然界面

📷 天然界面
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我们现在能问的一些问题

📷 我们现在能问的一些问题
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实验设置

📷 实验设置
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概览:一种统计机器学习方法

📷 概览:一种统计机器学习方法
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多轮概率选择模型(一)

📷 多轮概率选择模型(一)
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多轮概率选择模型(二)

📷 多轮概率选择模型(二)
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多轮概率选择模型(三)

📷 多轮概率选择模型(三)
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结合适应度景观的上位性分析(一)

📷 结合适应度景观的上位性分析(一)
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结合适应度景观的上位性分析(二)

📷 结合适应度景观的上位性分析(二)
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成对上位性的强度与……成反比

📷 成对上位性的强度与……成反比
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适应度景观几何:天然 vs 合成

📷 适应度景观几何:天然 vs 合成
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模拟约 400 万条进化序列

📷 模拟约 400 万条进化序列
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总结(Takeaways)


附:参考与延伸阅读

主题 链接
本讲视频 https://www.youtube.com/watch?v=V-SJk4AJ-xc
课程主页 https://eecs189.org/sp26/
官方讲义/笔记(Lecture 25) Google Drive 文件夹
Jumper et al., Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold (2021) AlphaFold2 · https://www.nature.com/articles/s41586-021-03819-2
Abramson et al., Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3 (2024) AlphaFold3 · https://www.nature.com/articles/s41586-024-07487-w
Arnold, Directed Evolution 定向进化(2018 诺奖)
Baker 等,蛋白质设计 计算蛋白设计(2024 诺奖)
蛋白质工程的生成模型综述(Nature Biotechnology primer) 序列/结构生成模型

版权说明:本讲视频、幻灯片与课程材料版权归 UC Berkeley EECS 189/289A 课程团队所有。本书为课堂内容的学习性中文重构,仅供学习交流。