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白晨 | 实现中国创新药研发的“弯道超车”

日期: 来源:科学中国人scichi收集编辑:科学中国人scichi

“清晨凝伫。见风云济,及作时雨。阴阳协顺空中,为甘露、山泽敷布。点点如膏利益,洗灭妖氛,四海澄素。造化天地神功,扰扰浮生几人悟。乾坤美泽恩沾溥。胜娑婆、此价应难买。滋生万物荣苏,增瑞庆、兆民歌舞。五谷丰登,庶事康宁,遐迩安固。感上下和睦无为,敬礼玄元祖。”

八百年前的一个清晨,云布雨润,词人凝神伫立,想到人间瘟疫退散、万物荣苏,写下这首《雨霖铃》。

彼时,面对病魔人们只能依靠自然的药草和祈求神灵的帮助;今天,在对自然科学深入了解的基础上,人们已经有能力研制全新的药物,凭借科技的力量治愈疾病。

为自己的公司取名下“晨伫”的名字,白晨正是想要在创新药物研发的道路上努力拼搏,提升中国药物研发水平,实现对国外技术的“弯道超车”。

▲白晨

生物医药产业是世界新一轮发展的竞争焦点,对国家经济发展和“健康中国”建设具有重大的战略意义。

长久以来,我国医药行业一直处于“跟踪仿制”国外药物的阶段,位于全球医药创新的第三梯队。

目前,我国正处于从“跟踪模仿”到“原始创新”的转变阶段,对全球新药研发的贡献逐步上升,已经跨入第二梯队。

随着人工智能技术的发展,新方法正在生物医药领域引发变革,创新药物研发领域尤是如此。这也为中国在创新药研发领域实现“弯道超车”提供了机会。

在这种背景下,白晨教授凭借其坚韧的品格、广博的学识以及对所研究领域的深入理解和创新思考,精准捕捉到了其职业生涯的发展机遇,投身到这场医药行业的“技术革命”之中。

白晨是香港中文大学(深圳)医学院、生命健康学院助理教授,广东省珠江青年拔尖人才,深圳市孔雀人才,这些“标签”见证了白晨在科研道路上的筚路蓝缕、深耕细作。

从上海交通大学到布兰迪斯大学,从学生到教授,从深圳到杭州。一路走来,白晨在生物化学和医药结合领域逐步深入,创造性地将药物靶标机理研究与AI药物设计相结合,打造出一条全新的AI药物研发路线,创立了晨伫(杭州)生物科技有限公司,也实现从“科学家”到“创业者”的跨界发展。

不畏浮云遮望眼

上海交通大学是白晨走向生命科学的起点,在上海交通大学这里,他取得了学士和硕士学位。

研究生期间,他的研究方向为分子反应力场的开发与应用。这一阶段的学习为他在计算化学和神经网络算法方面打下了坚实的理论基础。

此后,白晨选择前往美国布兰迪斯大学(Brandeis University)朱迪斯•赫兹菲尔德(Judith Herzfeld)课题组攻读博士学位。

其间,他在导师的指导下将第一代LEWIS力场推广至水合氢离子和氢氧根离子的表面倾向、自电离和电中和的研究之中;此外,他还开发出了第三代LEWIS亚原子力场,使用显示电子的方式更高效地赋予化学分子以极化性和反应性。

在布兰迪斯度过的5年时间让他开阔了科研视野,进一步完善了对计算化学研究领域的认知。

博士毕业后,白晨他没有满足于在自己舒适领域内取得的阶段性成功,而是进一步挑战自我。

“我对用计算方法研究复杂生物大分子机器这一课题很感兴趣,因此选择加入了阿里耶•瓦谢尔(Arieh Warshel)教授的团队”。

瓦谢尔教授因其在开发多尺度复杂化学系统模型方面的贡献获得了2013年诺贝尔化学奖。

在瓦谢尔课题组,白晨进行了三磷酸腺苷酶(ATPase)F1结构域自由能计算和扭矩产生的机理研究。

三磷酸腺苷(ATP)是细胞内的储能分子,各种生命活动都要依靠ATP提供能量,可以说是细胞内的“硬通货”。

ATPase就是催化ATP转化成二磷酸腺苷(ADP),是细胞内的基本生物过程,研究它的结构和能量基础非常重要。

然而,这一课题的研究具有挑战性,原因在于这一体系的空间尺度和复杂度很高,如何为这个包含上万个氨基酸的大分子机器建模是研究要解决的首要问题。

此外,ATPase依靠其自身的构象变化发挥功能,但构象变化过程的动力学信息如过渡态结构不能通过实验手段直接获得;除构象变化以外,该酶的运行过程还涉及到ATP分子水解、核苷酸分子解离等多个事件的耦合,这些都是研究这一课题必须解决的问题。

最终,在瓦谢尔教授的指导下,白晨完成了这一课题的研究,因其较高的创新性和启发性,该成果发表在顶级科学期刊《自然·化学》(Nature Chemistry)上。

▲白晨(后排左四)留学期间作为美国化学会学生代表与德国化学会主席交流

更进一步,白晨还深入研究了ATPase的F0结构域的质子驱动旋转机理、新冠病毒spike蛋白亲合力增强机制等课题。这些努力和成果让他收获了瓦谢尔教授的高度赞誉。

2020年11月,白晨作为助理教授加入香港中文大学(深圳)医学院,建立起自己的课题组。

“我们课题组致力于对各类重要的大分子生物体系开展结构、功能、机理和药物开发方面的研究工作。同时,以这些机理研究为驱动力,结合人工智能技术,开展创新小分子、大分子的药物研发工作”。

两年以来,课题组已经发展到15人的规模,其中包括4名博士后,3名全日制博士生以及1名联合培养博士生。

产教结合和专业搭配是白晨课题组的特色:一方面依托晨伫生物科技,将科研教学和真正的产业相结合,发挥校企各自优势,协作培养适合行业发展需要的应用型人才;另一方面注重团队人员的专业背景,在机理研究、药物筛选和AI计算等领域储备和培养相应的人才,构成完整的技术链条。

科研推动行业发展,行业反哺科研建设,这是白晨想要实现的正向循环,也是他在学术和产业并行发展的决心。

奋力跻身最高层

“在未来很长一段时间里,计算和人工智能辅助的创新药物设计(CADD/AIDD)将是一条在个世界范围内竞争激烈的赛道”。

早在瓦谢尔课题组,白晨就意识到目前创新药物设计领域的一大缺憾是对药物靶标蛋白机理研究的缺失,并深入思考了如何将机理研究应用到创新药物设计之中。

本质上,药物分子设计就是要去探索一个化学空间,找到达到预期效果的分子。然而,这个空间过于庞大(约为1060),相当于宇宙中所有原子的数目,只有使用AI技术才能够充分探索。

“AI模型的性能由训练数据和算法决定,在药物设计这个课题中,训练数据对性能的影响更具决定性。通过在训练数据中引入分子对靶标蛋白机理影响的动力学信息,我们提高了AI模型训练的天花板”。

白晨发现,如果不搞清楚蛋白质的工作机理,则极有可能在药物设计过程中导致严重的错误。

“传统的AI药物设计主要关注提高小分子与靶标蛋白非活性态和(或)活性态这两个稳定状态的亲合力,继而以此为核心数据进行AI模型训练,而忽略了药物分子对过渡态能量以及能垒的影响。这样的后果是,想要抑制靶标蛋白功能的分子可能会反过来激活蛋白功能”。

过去,由于蛋白质的机理研究十分困难,人们疏于考虑这些。白晨将瓦谢尔教授建立的多尺度建模模型和计算生物学理论体系应用到他的方法中,创造性地解决了这一问题。

“我很开心他有了在药物设计和医学方面扩展人工智能的能力在药物设计和医学方面的打算,特别是他想到了使用我的计算方法去尝试添加新的研究元素,将生物机理和动力学信息引入传统的药物设计中去。这个想法目前还没有被制药行业使用,我认为它有很大的成功机会。”对此,瓦谢尔教授评价到。

除了在理论和方法上的支持,瓦谢尔教授也作为股东和科学顾问加入了晨伫生物科技。这一研发方法也得到了行业内众多专家的认可。

晨伫生物科技的创立还得到了杭州市临平区政府的和产业资本的大力支持。白晨邀请了许多志同道合的教授级科研人才,构建了一个从靶点发现、机理研究、AI模型开发再到药物分子设计的完整技术链条。

目前,晨伫生物科技已经在此基础上开启了多条研发管线。

“我们选择的靶点类型丰富且极具代表性,包含了酶、离子通道、G蛋白偶联受体等,这些都是特别重要的药物靶点。我们关注的疾病也涉及到癌症、心血管疾病、糖尿病等危害当代人类健康的主要疾病。我们进展最快的管线已经完成了药物设计,进入到分子合成和临床前生化实验验证阶段。这意味着,晨伫的第一个药物先导化合物将不日产出,对此我们很有信心。”

一款创新药物从研发到成功上市,是一个长期且持续的攻关过程,一般要消耗数十年、花费数十亿美元。

“晨伫致力于为制药行业提供更可靠的先导化合物,提升效率,降低成本。更重要的是,我们期望未来可以为药物研发建立起一套完整的、创新的评价体系和根本方法论,在激烈的国际竞争中获得影响力,赢得领域内的话语权,帮助国家实现在这个赛道上的弯道超车。”

谈到公司的创办理念,白晨如此说道。

在中华民族百年复兴的大业中,白晨满怀着家国情怀和身为科研工作者的社会责任感,为“健康中国”贡献智慧、付出努力。

“不畏浮云遮望眼,只缘身在最高层”,正是这种不畏困难、勇于挑战、高瞻远瞩、研精毕智的品格,让他能勇往直前,实现梦想。

责编 | 李白薇


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