《AI + CRISPR:为 21 世纪的生物革命提供动力》

  • 来源专题:农机装备
  • 编译者: 袁雪
  • 发布时间:2025-04-24
  • 我们站在人类创新关键时刻的最前沿,人工智能和 CRISPR 基因编辑融合在一起,为只能被描述为 21 世纪的生物革命提供动力。

    新的工业时代

    正如煤炭和蒸汽为 19 世纪的工业革命提供动力,电力和化学为 20 世纪的经济和技术力量提供动力一样,今天的人工智能和基因编辑正在推动新一轮的创新浪潮,这将定义我们的时代。这些不是渐进式改进,而是通用的转型技术,能够重塑整个行业,取代传统方法,并产生全新的商业模式和创新类别。

    大局观

    CRISPR 基因编辑彻底改变了我们精确有效地修饰基因组的能力,在治疗学、农业、诊断学等领域具有巨大的潜力。当以正确的方式以最小的风险靶向正确的基因时,该技术的真正力量就会显现出来。这正是 AI 通过显著提高 CRISPR 应用的精度、安全性和可扩展性来提供前所未有的价值的地方。

    CRISPR 和 AI:现状

    这些技术之间的协同作用已经改变了生物制药行业。CRISPR 已成为药物发现的强大工具,可实现高通量基因敲除研究、靶标识别和验证以及高级疾病建模的开发。与此同时,数十家公司正在推进基于 CRISPR 的疗法,第一批获批的疗法已经上市。与此同时,AI 已经超越了炒作,产生了真正的影响,预测蛋白质结构、确定治疗靶点和优化试验设计。

    AI 为 CRISPR 提供动力的地方

    AI 正在加速和增强 CRISPR 工作流程的几乎每个阶段——从向导 RNA 设计和脱靶效应预测到大规模功能基因组学和合成生物学电路设计。这些增强功能解决了关键限制,并实现了单独使用任何一项技术都无法实现的全新功能。

    机器学习模型以比传统方法更高的准确性指导 RNA 功效预测,而深度学习算法通过检测细微的脱靶风险,显著提高了安全性。当 AI 用于增强 CRISPR 筛选时,研究人员可以解锁对基因功能和网络交互的前所未有的见解,从而改变整个行业的靶点发现。

    下一步:可能性的艺术

    展望未来,AI 和 CRISPR 的持续融合有望以前所未有的方式推动生物创新。自主闭环AI系统可以大大压缩研发时间,而AI驱动的生物传感器可以在体内实时跟踪基因编辑。生成式 AI 模型已经被应用于设计新型编辑酶,将可能性扩展到大自然的工具包之外。最具变革性的将是基因组学的大型语言模型,这些模型可以预测编辑如何影响多个层面的生物系统,从而使今天看起来像科幻小说但明天可能会重塑行业的应用程序成为可能。

    超越生物技术:CRISPR 作为跨行业催化剂

    其潜力远远超出了生物技术。CRISPR 的精度和可编程性正在重塑依赖生物系统进行生产或加工的行业:农业中为适应气候而设计的作物、食品技术中产生不含动物成分的蛋白质的微生物、创造可持续生物燃料和可生物降解材料的工程生物,以及环境修复的新型解决方案。AI 通过实现更智能的设计、更快的迭代和更可预测的结果来增强每个应用程序。

    结论

    在 ERS Genomics,我们相信我们正处于生物工业革命的曙光中。正如蒸汽和电力在过去几个世纪重新定义了经济一样,人工智能和 CRISPR 将决定 21 世纪的赢家——不仅在医学领域,而且在与生物学相关的每个行业。

    我们致力于提供对基本 CRISPR/Cas9 知识产权的简单、清晰的访问,使各种规模的组织都能负责任地利用这些变革性功能。通过战略性的、创新友好的许可,在促进科学进步的同时保护投资,我们确保 AI 和基因编辑技术的融合能够充分发挥其全球影响的潜力。

    现在,每个有远见的组织都面临的问题不是这些技术是否会改变他们的行业,而是它们是否会引领这场革命,还是被这场革命所颠覆。

  • 原文来源:https://www.seedquest.com/news.php?type=news&id_article=162402&id_region=&id_category=2489&id_crop=
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  要使能源工业脱碳,或者在许多国家,要使家庭供暖脱碳,并没有一种简单的方法。那些生活在冬天气候寒冷地区的人,比如英国或美国东北部,用天然气取暖和做饭所消耗的能量是他们用电的四倍。如果所有人都在家中改用电加热,需要的发电站数量将是目前的5倍,或可再生能源的20到30倍。还需要五倍的输配电能力,所有这些都是“严重”的挑战。   此外,为取代天然气或煤炭燃烧,只是用电动方案简单地改造工业过程,在技术上或经济上并不总是可行的,所以需要用更清洁的燃料取代化石燃料。更务实的办法是把氢作为家庭和工业应用的燃料。在西门子,Welch就曾参与奥钢联集团(Voestalpine)在奥地利林茨(Linz)的项目。它是欧盟资助的H2Future项目,使用绿色能源制氢,用于钢铁厂的钢铁生产,取代某些焦炭或煤炭。另一个化石燃料替代的例子是Cadent公司在英国基尔大学的HyDeploy项目,涉及将氢气混合到天然气管网,体积可高达20%,这样就可“部分”地脱碳大学的热网。   目前,全球安装的燃气轮机,使用富氢燃料的不到1%,而意大利只有一家炼油厂,声称使用100%的氢燃料。炼油厂内燃料气体的成分每小时都在变化。因此,必须设计一个系统,让它在不同的运行时间使用不同的燃料。例如,为巴西石化公司Braskem设计的一个炼油厂项目,这个系统可以在氢气浓度从0到60%(按体积计算)的情况下运行,而不会对性能产生影响。   尽管没有达到人们所期望的零碳排放,但富氢的气体混合燃料能减少CO2的排放量,足以对全球的排放产生影响。例如,使用20%氢气和80%天然气的混合物,二氧化碳排放量可以减少约7%。将混合物的氢含量增加到60%,可以减少大约20%的二氧化碳排放。这种技术现在就可用于降低CO2排放,并使全球气温上升限制在2℃以下的“轨道”,同时帮助氢经济以所需的速度发展,到2040年或更早实现净零碳排放。当然,这些数字并不是许多人希望立即看到的大幅度消减,但是朝着正确方向迈出的一步。   两步目标   2019年1月,欧洲的燃气轮机制造商(基本上包括世界上每个主要的燃气轮机供应商),通过欧洲行业协会EUTurbines宣布的协议承诺,到2020年,它所提供的燃气轮机,能够用容积20%的氢与天然气混合运行;到2030年,为客户提供的燃气轮机能用100%的氢气运行。虽然最终的目标是使用100%的氢气,但很明显,要实现这个目标并不容易。最初,大多数涡轮机很可能用混合燃料运行,而不是100%的氢气,因为根本没有足够的氢气可用。只使用氢气做燃料,以负担得起的成本获得足够的氢气,是个重大的挑战。   例如,西门子曾在瑞典的Finspong制造厂对燃气轮机进行了30分钟的发动机整体试验,实际上要找到该国所有剩余的氢气,而且要把搜索范围扩大到周边国家。现在根本没有足够的可用资源。   环保人士推动使用风能和太阳能为电解装置(即用电力将水分离成氢和氧的设备)提供动力制氢。输入的是水,唯一副产品是氧。   为了弥补这个不足,欧洲的某些项目,特别是英国,正致力以合理的成本提供充足的氢气,以便启动工业部门脱碳,并用大量氢气取代天然气。英国已经确定为6个产业集群的工业和发电脱碳研究,提供额外的资助,其中的某些集群提议使用“蓝”氢和碳捕获技术。   这个挑战一旦得到满足,涡轮机还需要进行改造,以适应新的混合燃料。燃烧系统是个需要改变的主要领域。目前是为天然气设计的,特定的可燃性范围和燃烧速度与主要含有甲烷的燃料相同。   另一方面,氢的燃烧速度快得多,约是甲烷的10倍,而且可燃性范围更广,会在不需要的时间和地点燃烧。因此,需要重新设计燃料注入器,使创建的燃烧系统能与火焰轮廓和位置“匹配”。此外,由于氢焰燃烧温度比天然气焰高,也会出现热氮氧化物(NOx)增高。   把氢气引入燃烧系统的下一个挑战是氢分子很小,大多数材料都密封不住。必须使用正确类型的钢材,而且没有任何橡胶或非金属密封。现有的安全措施,需要根据新的燃料组合做出调整。例如,标准的天然气用的瓦斯探测器,无法检测氢气泄漏。   此外,氢燃烧时会产生不同颜色的火焰,因此设计用来检测天然气蓝色火焰的火焰探测器无法“感知”氢焰,实际上肉眼看不到氢焰。   对这些挑战,已有充分的了解,也制定了各种解决方案。从技术角度看,燃气轮机行业有信心在某个时刻实现100%燃氢的低排放。因此,最大的挑战是经济:有足够的、成本合理的氢气,使能源的成本最终不会比现在的开支高出2-3倍。   为此,目前几乎所有的涡轮机制造商都在响应行业需求,解决这个问题。全球、特别是欧洲政界人士,都在推动脱碳。而且,无论如何使用化石燃料,提高涡轮机的效率,都无法达到减排的目标。因此,要么在电厂进行碳捕俘,要么使用零碳燃料。   此外,天然气管道公司之所以对这项技术感兴趣,因为到本世纪30年代中期,如果政界人士决定不再使用化石燃料,将会有数千英里长的管道成为“搁浅”的资产。因此,天然气公司正在研究如何重新利用这些资产,输运二氧化碳,或者通过现有的管道系统,输运天然气和氢气。再利用现有的基础设施资产,可能对于降低能源转型的成本,至关重要。   对于涡轮机制造商,主要的挑战是氢气从哪里来。这是市场和政治家们需要认真思考的问题。如果还要再花费30年时间才能有足够的氢气驱动涡轮机发电,那么在2030年前推动研究人员和公司开发100%的燃氢涡轮机是没有意义的。   如果要推动企业在研发上投入数百万美元,创造100%的燃氢能力,就要有足够的燃料来运行燃气涡轮机。虽然风电场、电解装置和零碳污染的的绿氢是个好主意,但如要求一个1000MW的风电场连续运行一个50MW的燃气涡轮机,这种计划是不切实际的。因此,需要更严肃地看待各种甲烷重整方案和碳捕获。   这是政治   利用氢气做燃料,虽然存在技术和环境方面的挑战,但往往忽视总体政治层面的问题。此外,每个地区或国家的政治各不相同,能源战场也变成了不同方法的拼图,就像个多方设计、多边纤维的“棉被”。   例如德国就不相信“碳捕俘”,因为它没有任何适宜的地质构造储存捕俘的二氧化碳。但如挪威、英国和澳大利亚,对碳捕俘与封存非常满意,因为它们有废弃的海上油田和气田,可以储存捕俘的二氧化碳。实际上,挪威多年来一直在乌齐拉(Utsira)的近海含水层“扣押”二氧化碳。美国多年来一直在利用二氧化碳提高德克萨斯州二叠纪盆地的石油采收率,而在怀俄明州,也和加拿大人一样,多年来一直用于最大限度地提高老油田的石油采收率。   此外,许多政府不想放松环境立法,要达到与天然气类似的排放水平,这是个挑战。因此,如果这些政府坚持用氢气降低碳和氮氧化物的排放量,单靠涡轮机是不够的。这意味着必须有燃烧后尾气净化系统,才能达到NOx个位数的水平,而这必将进一步提高电力成本。最终的结果是电厂和燃料更加昂贵,使能源成本上升,直至成为政治“禁忌”。因为,每个人都想要清洁能源,但没有人愿意为此付出更多,对未来至关重要的是消除能源贫困。   这项技术取得成功的核心,在于找到技术、经济和政治的平衡,使我们能每天24小时、每周7天、一年365天都有充足的清洁电力。这是个有多种战略的复杂领域,需要各方都做出妥协,才能使整个氢经济朝着正确的方向发展。   也许可以从过去的经验中吸取教训:其中一个例子是生物质气化倡议,各种努力集中在知识研究上,进行各种研究并试图找到最终的、最佳可能方案是什么,创造了个环境,结果什么也没有建成。通过建立商业规模的示范装置,重复设计并从中学习,当然可以更快地降低成本,而不是通过更多的研究和开发,尝试和改进的幅度仅为1%。首先建个装置,证明它、测试它,然后可以追溯和尝试降低10%或15%的设施成本,通过重复设计和学习继续削减成本,而不是向全球承诺,但不兑现。   幸运的是,欧洲各国政府已变得更加务实,认为这才是需要采取的步骤。它们承认,虽然最终寻求减排和低成本的效率不高,但能从今天达到2040年需要的水平,无需试图一次性实现革命性飞跃的失败,而更像个进化过程。在欧洲这个政治舞台上,有良好的支持和现实的做法。