Carbon模型:能“读”会“写”DNA语言

来源:科技日报2026-08-03 09:38

第八届中国国际进口博览会上的人工智能研发药品展区。 视觉中国供图

◎本报记者 吴叶凡

在所有人工智能驱动的科学研究(AI for Science)应用中,生命科学是最热门的场景之一。在AlphaFold解决了蛋白质结构预测的难题之后,行业正向另一座“堡垒”冲锋——解码DNA序列,开启解读生命终极密码的新篇章。

地球生物的遗传密码DNA,其实是一门共通的“生命语言”。而DNA大模型,则是为读懂这门语言打造的专属AI助手,生成式基因组大模型Carbon(以下简称“Carbon模型”)就是其中典型代表。

Carbon模型由北京中关村学院联合国际知名开源社区Hugging Face共同开发,定位为生命科学领域的“DeepSeek”。它既能读懂DNA里藏着的生命秘密,还能写出符合预期功能的全新DNA序列,彻底打破了过去生命科学研究的传统范式。

落地合成生物学领域

通用人工智能大模型学习的是人类交流的语言文字,Carbon模型学习的对象则是DNA序列。“它把DNA当作一门独立的语言来学习,不仅能够‘读懂’DNA,还会‘写’。”北京中关村学院副院长秦涛说。

“读懂DNA”是指完成理解性任务,实现对每一段DNA序列的精准解析。基因注释是最具代表性的理解类任务之一。通过开展基因注释,研究人员可精准判定某段基因的具体功能,快速定位DNA序列里的关键基因位点,从而帮助科研人员判断基因上的突变是否会引发疾病、导致基因功能异常。

掌握DNA的内在“语法规则”之后,Carbon模型还能像写文章一样,自主生成具备预期功能的定制化DNA序列,这就是生物学领域的序列设计工作。北京中关村学院、中关村人工智能研究院AI for Science研究员李秋熠介绍,生成式任务有丰富应用场景,包括RNA疫苗设计、农业育种、合成生物学调控元件设计等。比如,针对某一新型病毒,Carbon模型可针对性地设计出RNA序列,用以激发人体免疫反应。在农业育种场景中,Carbon模型可通过调节作物基因,让农产品拥有更优良的性状,改善它的口感、味道。

记者了解到,目前,Carbon模型的生成类能力已服务于许多高校和药企,其最成熟的落地场景是合成生物学领域的调控元件设计。这也是当前DNA模型最快可变现的方向。

合成生物学调控元件是一种可编程的生物学部件,它们多为具有特定功能的DNA、RNA序列或调控蛋白,相当于电子电路里的开关、旋钮,能够精准控制基因“什么时候启动、生产多少产量、遇到什么信号才工作”,可应用于药物制造、绿色农业、细胞治疗等领域。

李秋熠说,药企使用的启动子、增强子这类调控元件大多是自然界天然存在的,活性温和,是企业靠十几年随机突变测试攒下的“祖传资源”。因为生产方式依赖天然序列筛选、随机突变试错,因此药企往往需要数年时间才能积累高活性元件,而且很难突破性能上限。

Carbon模型则为这一科研场景带来了颠覆式改变。按照不同需求,Carbon模型可直接、快速生成高活性的全新调控元件。原本需要数年迭代的流程,现在几乎瞬间就能得到更优方案。“我们测试后发现,新元件对基因的调控能力比传统天然元件高出数十倍,实实在在帮助合成生物领域生产降本增效。”李秋熠说。

提升性能不靠堆参数

在DNA大模型领域,近几年优秀模型不断涌现。从谷歌的DNA序列模型AlphaGenome,到美国弧形研究所(Arc Institute)的基因组基础模型Evo,再到阿里云的生物基础大模型GENERator、之江实验室与华大生命科学研究院的基因组通用基础模型Genos,众多科技公司和研究机构都在全力抢占这块高地。

“一些模型靠堆砌参数和算力来提升性能,但大部分科研团队难以负担高额的算力成本支出。”李秋熠介绍,区别于国外模型“大力出奇迹”的路径,国内团队受算力资源限制,倒逼出“低成本、高效率”的优化方向,走出非参数堆砌的差异化技术路线。

Carbon模型通过独创算法,让计算效率提升近百倍,能够用更低算力成本为研究者提供AI服务,打破了“参数越大性能越强”的传统路径依赖,因此被视作生命科学领域的“DeepSeek”。李秋熠算了一笔账,过去Evo 2模型一年才能跑完的任务,Carbon模型只需要一天多。

让Carbon模型“跑”得更快的,是团队自研的名为“FNS”的创新算法。这一算法将模型读写DNA的方式从单字符逐位处理,升级为多位并行处理。“这就如同打字,从原本逐字输入,变为一个词语、一个短句地输入。”李秋熠介绍,这样的工作模式让计算复杂度直接降至原有的1/36,生成步数也缩减为原来的1/6,原本60步才能完成的任务,现在仅需10步就能解决。Carbon模型整体性能比美国的Evo 2快200多倍,很大程度上来源于这项算法创新。

“我们选择将Carbon模型完全开源,让全球生命科学研究者都能用上最先进的基因组AI工具。我们希望能借此推动基因组领域的科研范式转变,催生出无数我们现在难以想象的生命科学新应用。”李秋熠说。

需加强技术路线融合

李秋熠提到,尽管近年来生命科学领域AI for Science进程不断推进,但模型泛化能力不佳、核心组学数据短缺等问题,仍制约着大模型落地应用,需要行业进一步探索解决。

目前生命科学领域大模型主要有两类技术路线——自回归式和监督式。前者以Carbon、Evo 2模型为代表;后者则以AlphaGenome为翘楚。然而,两种开发路径都不同程度存在技术“盲区”。

自回归式路线的核心,就是让模型像理解语言一样理解DNA。“DNA是所有生物的一门共同语言。理论上,模型学习的是一套‘放之四海而皆准’的语法,因此它不挑数据,可以理解一切生命的逻辑。”李秋熠解释,因此自回归式路线具备跨物种泛化能力,可适配精准医疗、农业育种、虫害研究等各类物种的研究场景。但也正是因为仅以单维度的DNA序列作为训练数据,自回归路线大模型存在功能局限,在生命组学的诸多领域中,只能完成基因组学(DNA序列)的任务,不具备转录组、表观组等多组学预测、分析能力。

而监督式路线以基因组、表观组、转录组等多组学数据为基础。它虽具备跨组学研究能力,但受限于多组学数据稀缺问题,目前仅支持人和小鼠两个物种的相关分析,无法适配其他物种的研究需求。

对于不同技术路线存在的问题,李秋熠认为,一方面需要加强技术路线融合,实现优势互补,比如把自回归模型的泛化能力,扩展到监督式模型上;另一方面,学界需要类似“人类基因组计划”的大规模跨机构协作,推动这类宝贵数据的开放共享。

李秋熠特别提到,在加强模型研发的同时,还应注重应用推广。“当前阶段的核心目标并非快速实现商业化盈利,而是优先推广模型、让全球科研人员都用上该技术,逐步培育完整的产业生态。这也有助于产生更多优质数据,反哺模型的迭代进化。”他说。

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