蛋白质领域的“通用大模型”来了！
参数量高达1000亿，在这个领域尚属首次，一出场就在13个任务上达到SOTA——
例如在抗体结构预测任务中，就超越了“老前辈”AlphaFold2。
如果说之前蛋白质AI模型还大多停留在单一类型任务上，现在从蛋白质预测到蛋白质设计，各种细分任务都用一个AI就能完成。
这个蛋白质语言模型由百图生科和清华大学共同开发，取名xTrimoPGLM。
所以，它究竟在哪些任务上取得了SOTA，这个千亿大模型又究竟是如何炼成的？背后的运作原理和实现方式是什么？
未来在整个生命科学领域，是否也会像自然语言这样，出现类似ChatGPT的通用大模型？
百图生科的CTO宋乐博士向我们分享了思考。
这个名叫xTrimoPGLM的蛋白质语言大模型，“底子”是清华推出的GLM（通用语言模型）算法。
选用这种算法，是因为人类语言和蛋白质之间存在很多相似之处。
和语言任务一样，蛋白质任务也可以被分为理解（预测）和生成（设计）两大类：
生成任务，指根据不同条件设计对应的蛋白质。如给定某个功能标签，要求生成能实现这一功能的蛋白质；或是给一段蛋白质结构，设计一段可折叠成该结构的氨基酸序列等。
理解任务，指预测某种蛋白质的属性。如蛋白质本身是酶，用AI预测它的最优催化温度、催化效率、稳定性等。
但和人类语言一样，在大模型出现前，蛋白质语言模型往往也“只能干好一件事”，同时学多个任务，反而可能把原来的能力给“忘了”。
（毕竟理解类任务通常用的是双向注意力机制，类似完形填空；但生成类任务用的却是单向的，像续写作文一样）
而GLM在框架设计上兼顾了大模型的理解和生成能力，因此也成为团队这次的基础架构“首选项”。
不过，相比自然语言模型，蛋白质在训练数据、任务和框架适用性上又有所不同。
为了更好地将GLM的优势和蛋白质语言特性结合起来，xTrimoPGLM设计了一种新框架，其中增加了MLM（掩码语言模型）部分。
其中，紫色的[MASK]表示MLM，用于提升模型理解能力；绿色的[sMASK]和[gMASK]表示GLM，用于提升模型生成能力。
具体到细节上，[sMASK]掩盖序列中间的连续部分，模型预测时不仅要学会预测内容，还需要学会预测长度；[gMASK]掩盖除了上下文之外的其余序列部分，以进一步提升模型的生成能力。
不过，即使是Meta的蛋白质理解模型ESM，参数量也就在150亿级别左右。
为何xTrimoPGLM模型参数量会达到千亿级？
宋乐博士介绍称，这是因为蛋白质的数据比想象中要更大：
目前可用的蛋白质序列已经有几十亿，而这些序列的长度平均又达到几百甚至上千，乘起来就接近自然语言token的数量规模了。
更大的数据量，自然需要更大的模型来“吃”。
在大语言模型已经达到千亿级参数量的情况下，蛋白质语言模型理论上也应达到这一规模，才能实现比Meta的ESM更好的效果。
基于这一理念设计的xTrimoPGLM，确实在理解和生成任务上均取得了不错的效果。
研究人员一共将xTrimoPGLM在15个任务上进行了测试。
事实证明，这个蛋白质语言模型在其中的13个任务上都取得了SOTA。
这些任务从蛋白质结构、可发展性、相互作用到功能分为四大类，具体又包括评估蛋白质特性，如溶解性、对蛋白酶的稳定性、温度敏感性、蛋白质结合亲和力、抗生素抗性等。
以抗体结构预测为例。据宋乐博士介绍，和AlphaFold2相比，xTrimoPGLM不仅效果更好，而且速度快了接近一个数量级。
之所以能做到在模型更大的同时，预测速度还更快了，是因为相比AlphaFold2，xTrimoPGLM“跳了一步”：
AlphaFold2依赖多序列比对进行搜索，但xTrimoPGLM因为已经“学会了蛋白质的语言”，所以直接省去了这个步骤。
在此基础之上，xTrimoPGLM不仅能很好地提供蛋白质序列信息，模型能力也得到了增强。
宋乐博士认为，不止是抗体结构预测，类似思路也能被推广到更通用的蛋白质结构预测上去，这也在团队的下一步计划之内。
不仅如此，团队还计划把模型扩展到RNA、DNA等不同模态的生命科学数据上，甚至是跨细胞、跨组织层面，尝试实现更加通用的生命科学大模型。
当然，目前这一阶段的xTrimoPGLM，就已经能直接提供给行业使用了。
从它能实现的任务来看，已经涵盖了不少蛋白质下游应用的场景，如涉及蛋白质的相关酶的设计，以及医药食品行业的一些消费级蛋白质预测任务，都可以直接用xTrimoPGLM去帮助解决。
据宋乐博士介绍，xTrimoPGLM未来也会接入到百图生科的AI生成蛋白平台AIGP中去，负责如抗体结构预测、亲和力预测和蛋白质相互作用预测等任务。
目前来看，发展“通用大模型”的路径主要有两种。
一种是继续扩大单个模型的参数量，试图达到真正的单个AGI之路；
另一个则是通过多个模型联合的如Mixture of Experts等方式，将负责不同任务类型的大模型之间联合起来，以实现更多功能。
这两条路各有其优缺点所在。如果要想继续发展生命科学领域的“通用大模型”，哪条路径更有可能通往AGI？
宋乐博士认为“都有可能”。
不过就百图生科团队而言，他们仍然采取多个大模型联动的方式，来继续探索通用大模型之路。
论文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.07.05.547496v1
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