当 AI 读懂了生命的语言：大语言模型在生物与化学领域的全景图

文献来源：Ashyrmamatov et al., "A survey on large language models in biology and chemistry," Experimental & Molecular Medicine, 58, 970–980 (2026). DOI: 10.1038/s12276-025-01583-1 适读人群：生命科学 / 药学 / 化学方向研究生与科研工作者；AI 医药领域从业者；对 AlphaFold 之后科学 AI 走向感兴趣的读者

把分子当作语言来处理

过去五年，大语言模型（Large Language Models, LLMs）从 NLP 领域溢出，席卷了蛋白质设计、基因组学、药物发现、化学合成等几乎所有分子科学分支。相关论文快速涌现，研究者们面临的最大困惑不是 信息太少 ，而是 信息太碎 。

这篇由首尔大学五位作者联合完成、发表于 Nature 旗下期刊《Experimental & Molecular Medicine》的综述，试图做一件更难的事：在统一的分析框架下，同时覆盖生物大分子（蛋白质、核苷酸、单细胞）与小分子化学两个领域，系统比较表征策略、模型架构、训练范式与下游应用。

这种双域并举的视角，使其成为目前为止少数能同时回答"蛋白质语言模型和化学语言模型有何本质共性与差异"的参考文献之一。本文将沿着综述的核心逻辑，逐层深入，带你建立对这一领域的系统认知。

一、核心命题：表征是科学 LLM 的第一性问题

1.1 LLM 为何能迁移到科学领域？

LLM 的核心能力并非"理解"语义，而是对 token 序列的统计结构进行建模。只要某种科学数据能被编码为离散符号的序列，transformer 架构原则上就能学习其内在规律。

这一洞察带来了一个核心问题：如何把复杂、多维的分子信息转化为模型可处理的格式？

综述明确指出，这不是工程细节，而是根本性的设计决策——表征决定了模型能学到什么、能泛化什么、最终能发现什么。

1.2 科学表征的三重挑战

1.3 规模与表征的双重驱动

综述引用 Kaplan 等人的 Scaling Law 研究，强调模型规模和训练数据量是涌现能力的关键驱动力。但对于科学 LLM 而言，规模与表征必须同时到位：一个在糟糕表征上训练的巨型模型，其上限仍然受到表征瓶颈的限制。

二、生物语言模型（BLMs）：三大分子模态的建模进展

2.1 蛋白质语言模型：从序列到结构再到设计

2.1.1 历史脉络

蛋白质天然具有序列性，因此是最早成功应用 NLP 技术的生物模态。

• • ProtBERT / ProtTrans（早期）：直接将 BERT 的 MLM 预训练迁移到氨基酸序列，探索单序列与 MSA 两种输入格式。
• • MSA Transformer：利用多序列比对（Multiple Sequence Alignment）捕捉跨物种进化信息，将"进化压力"编码进模型权重。
• • ESMFold：关键突破。无需 MSA，仅通过语言建模即可达到 AlphaFold2 级别的结构预测精度。证明了语言模型可以隐式编码蛋白质的进化信息与折叠规律。
• • ProtMamba：采用 Mamba（基于选择性状态空间的架构）替代 attention，在长序列建模上具有线性时间复杂度优势。

2.1.2 蛋白质结构预测的范式革命

传统结构测定（X 射线晶体学、NMR、冷冻电镜）成本高、周期长，已知序列数（UniProtKB）与已解析结构数（PDB）之间存在数量级差距。

AlphaFold2（AF2） 的核心创新：

• • Evoformer 模块：生物特异性 transformer，将 MSA 视为"语言序列"处理，同时捕捉残基间的 pairwise 相互作用。
• • 结构模块：端到端实现从一级序列到三维坐标的重建，达到接近实验精度。

AF2 之后的扩展方向：

• • ColabFold：利用宏基因组序列数据库扩充 MSA 多样性，通过 Google Colab 降低计算门槛，实现普惠化部署。
• • Phyre2.2：整合 AF2 预测结构作为新模板，支持域级优化和批处理预测。
• • AlphaFold3：进一步扩展至 RNA、DNA 和配体的多分子复合物结构预测。
• • RoseTTAFoldNA / RoseTTAFold All-Atom：将核酸、配体纳入统一结构预测框架。

2.1.3 蛋白质从头设计：生成模型的用武之地

• • ProGen / ProGen2：自回归 transformer，通过条件标签控制生成序列的结构与功能属性。
• • ProtGPT2：无监督深度语言模型，用于生成具有新颖功能的蛋白质序列。
• • RFdiffusion：将图像生成领域的扩散模型适配至蛋白质结构生成，引入 SE(3) 等变性以保证物理一致性，在 scaffolding 任务上表现突出。
• • ProteinMPNN：针对已知骨架设计序列的逆折叠模型。
• • ESM3：联合嵌入序列、结构与功能，模拟了 5 亿年进化历程的语言模型，代表多模态生物表征的最新前沿。

2.2 核苷酸语言模型：四字母表的挑战

2.2.1 DNA 建模的特殊难点

DNA 仅由 A/T/G/C 四种碱基构成，字母表比蛋白质小 5 倍，信息密度更低，且没有天然的"词"边界概念，这使得 tokenization 策略的选择尤为关键。

2.2.2 模型演进

2.2.3 RNA 语言模型

GenSLM 是代表性 RNA 语言模型，采用密码子级词表（codon-level vocabulary）以避免移码问题，能够预测突变对 RNA 功能的影响效应（如 SARS-CoV-2 进化动态分析）。

2.3 单细胞语言模型：高维表达数据的语言化

2.3.1 核心挑战：非序列数据的序列化

单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）数据是高维基因表达向量，天然不具有序列性。主流解决思路是：按表达量对基因排序，将同一细胞内的基因集合视为一个"词序列"。

2.3.2 代表性模型

• • scBERT：利用完整基因表达谱（而非传统 marker gene），通过 gene2vec 编码 + BERT 架构，在细胞类型注释任务上超越传统方法。
• • Geneformer：按基因计数统计排序，在多项细胞分类任务上展现有效性。
• • scGPT：以基因嵌入为输入 token，输出细胞嵌入，联合学习两层次表征；在细胞分类、扰动预测、批次校正、多组学整合四类任务上均达到 SOTA。

2.3.3 通用 LLM 的跨界应用

令人惊讶的是，未经生物特化训练的通用模型同样展现出潜力：

• • GPT-4：仅凭文本描述的基因表达水平，即可自动完成细胞类型注释。
• • GenePT：调用 ChatGPT 的文本嵌入 API，从 NCBI 生物医学文献构建基因/细胞嵌入，在部分任务上超越专用的 Geneformer。
• • scELMo：类似路线，利用语言模型嵌入构建单细胞数据分析工具。
• • CancerGPT：GPT-3 在文本语料上微调，用于稀有组织类型的药物协同预测，将文本表征与细胞信息对齐。

三、化学语言模型（CLMs）：从小分子表征到药物设计

3.1 分子表征体系：三条技术路线

3.1.1 字符串表征（SMILES 及其衍生）

SMILES（Simplified Molecular Input Line Entry System）将分子结构编码为线性 ASCII 字符串，是目前最主流的化学语言格式。

核心局限：

• • 非唯一性：同一分子存在多种合法 SMILES 表示，增加训练难度。规范化（canonicalization）能减少歧义，但可能导致模型过拟合句法模式而非化学规律。
• • 缺乏立体化学信息：手性中心和几何异构体常被省略。
• • 无三维信息：对构象敏感的任务（如分子对接）存在天然缺陷。

改进变体：

• • DeepSMILES：调整括号和环闭合语法，降低句法错误率。
• • SELFIES（Self-Referencing Embedded Strings）：100% 化学合法性保证，所有生成的字符串均对应有效分子。
• • Atom-in-SMILES：在 token 中嵌入局部拓扑上下文（邻近原子、环成员关系），提升低数据场景的优化性能。

3.1.2 图表征

将分子抽象为原子节点与化学键边的图结构，保留 SMILES 缺失的拓扑约束信息。

代表模型：GROVER（图神经网络 + transformer）、MG-BERT（图注意力机制 + BERT）。

主要挑战：tokenization 与序列模型对齐困难，缺乏标准化的图序列化流程。

3.1.3 三维点云表征

直接编码原子的三维空间坐标，捕捉分子几何特征，对分子性质预测和药物设计至关重要。

• • Uni-Mol：专用 3D 感知 transformer，适用于分子预训练和蛋白质-配体复合物结构预测。
• • nach0-pc：多任务语言模型，整合分子点云编码器与语言模型，在 3D 分子数据集上联合训练。
• • 3D-MolT5：面向三维分子-文本统一建模。

3.2 模型架构分类：按任务选择架构

3.2.1 Encoder-only（BERT-like）：分子理解与性质预测

适合需要提取上下文表征的任务：分子性质预测、活性分类、毒性预测。

3.2.2 Decoder-only（GPT-like）：从头分子生成

适合自回归生成任务：de novo 药物设计、骨架补全、条件分子生成。

3.2.3 Encoder-Decoder：序列到序列的结构转换

适合序列映射任务：逆合成规划、反应预测、跨域分子翻译。

3.2.4 多模态 LLM：跨模态融合推理

化学信息天然多模态（文本描述、分子图、2D 结构式、3D 坐标、光谱数据），标准 CLM 难以全面捕捉。

• • Mol-LLaMA：将图表征引入语言模型，提升官能团识别和逆合成推理。
• • GIT-Mol：独立编码图、图像和文本，通过共享表征层融合，对比学习对齐，多任务预测头。
• • PRESTO / ChemVLM：视觉-语言模型，联合编码分子结构式图像与文本，支持合成规划和反应条件推断。
• • nach0：SMILES、图像与文本的统一表征空间，多模态推理。

3.3 预训练与微调策略

3.3.1 自监督学习（SSL）

• • MLM（Masked Language Modeling）：随机遮盖 15% 的 token，训练模型从上下文恢复。强迫模型学习化学句法和分子结构的深层表征，是 encoder 类模型的主流预训练目标。
• • 去噪目标（Denoising Objectives）：训练模型从噪声/损坏版本重建原始输入。BART 系模型（BARTSmiles、SELFIES-TED）的核心预训练策略。

3.3.2 多任务学习

同时训练多个相关任务，共享权重，迫使模型学习跨任务通用表征：

• • Text+ChemT5：化学与自然语言跨域权重共享。
• • nach0-pc：在 3D 分子数据上的多任务语言模型。
• • 优势：缓解单任务数据稀疏问题，提升低资源场景泛化能力。

3.3.3 检索增强生成（RAG）

在推理时动态检索外部知识库，提升模型在特定任务上的表现：

• • 在分子设计、逆合成、反应预测等任务上报告了高达 17.4% 的性能提升。
• • 通过引入最新领域数据，有效缓解"幻觉"问题。
• • ATLANTIC：构建异构文档图，使用冻结 GNN 进行上下文编码，改进检索质量同时保持计算效率。

3.3.4 监督微调与参数高效方法

全参数微调在低资源场景下易过拟合，参数高效方法（PEFT）成为主流：

四、生物医学应用：从预测到设计再到自动化

4.1 蛋白质结构与功能预测

AlphaFold 系列引发的结构预测革命已广为人知，但综述更关注后 AlphaFold 时代的演进方向：

• • 多分子复合物预测：AF3、RoseTTAFoldNA 将 RNA、DNA、配体纳入统一预测框架。
• • 全原子结构预测：RoseTTAFold All-Atom 挑战精确重建所有原子三维坐标的计算难题。
• • 功能整合建模：ESM3 同时嵌入序列、结构与功能，标志着从单模态向多模态表征的转变。
• • DNA 结合蛋白预测：ESM-DBP 等专用模型采用序列-结构混合策略。

4.2 蛋白质从头设计

这是目前最令生物学家兴奋的方向之一：不再只是预测已有蛋白质的结构，而是从零设计具有特定功能的新蛋白质。

RFdiffusion 等扩散模型通过 SE(3) 等变性将几何约束纳入生成过程，在 scaffolding、binder 设计等任务上取得重大突破。ProteinMPNN 和 Foldseek 的组合进一步加速了设计-验证迭代循环。

4.3 基因组分析

transformer 类模型在以下任务上已展示出超越传统方法的能力：

• • 调控区域预测（启动子、增强子识别）
• • 转录因子结合位点预测
• • 突变效应推断（SNP 功能影响）
• • 长程基因组相互作用建模

4.4 分子性质预测与药物发现

CLM 正系统性地渗透进药物发现流程：

• • 早期筛选：从 SMILES 直接预测溶解度（ESOL、FreeSolv）、生物利用度、血脑屏障通透性（BBBP）、毒性（Tox21、SIDER）。
• • De novo 分子设计：自回归与扩散模型生成具有优化活性、选择性或合成可及性的新化合物。
• • 反应预测与逆合成规划：在 USPTO 等反应数据库上训练的 seq2seq 模型，为目标药物分子建议合成路线。
• • 毒理学评估：学习与不良效应相关的结构模式，支持临床前风险评估。

4.5 多模态基础模型：走向统一的生物医学平台

• • BiomedGPT：对齐自然语言与生物医学视觉表征，支持诊断、摘要、临床决策等跨模态任务。
• • Tx-LLM：在 RNA、DNA、蛋白质序列及 SMILES 上大规模预训练，在端到端药物发现任务上展现正向迁移。
• • BioMedGPT-10B：专注蛋白质-分子问答，整合细胞序列、蛋白质和分子结构信息。

4.6 智能体系统：迈向自主科学发现

这是综述最具前瞻性的部分。LLM 与外部工具的结合催生了"科学智能体"：

代表性系统：

• • Coscientist：整合网络搜索、文献检索、逆合成工具和实验室协议，实现多步骤化学研究自主规划。
• • ChemCrow：将 18 种化学工具（RDKit、SafetyCheck、文献搜索等）接入 LLM，完成复杂合成任务。
• • ChatMOF：专注金属-有机框架（MOF）材料的性质预测与生成。
• • Chemputer / Organa：LLM 指导下的实验室自动化平台，实现合成规划到机器人执行的全链路自动化。

核心范式 ReAct（Reason + Act）：交替进行 LLM 推理与外部工具调用，形成闭环的多步骤工作流。

⚠️ 当前局限：这些系统仍严重依赖确定性工具链和人类监督，在开放式科学推理方面仍有很大差距。

五、数据集与基准：模型能力的边界在哪里？

5.1 化学领域核心数据集

5.2 生物医学领域核心数据集

5.3 当前基准的局限

综述指出，尽管数据积累迅速，跨化学与生物域的系统性对比研究仍然匮乏，标准化基准体系尚不完善，这严重制约了领域间的知识迁移与模型能力评估。

六、提示工程与大型通用 LLM 的科学应用

除了专用科学 LLM，ChatGPT 等通用大模型也在化学与生物领域展现出令人意外的能力：

6.1 提示工程策略

• • 零样本提示：无需示例，直接描述任务。在简单分子转换、基本性质预测上有一定效果。
• • 少样本提示（Few-shot）：提供若干示例对，引导模型推理模式。
• • 思维链提示（CoT）：引导模型逐步推理，在复杂化学任务（逆合成规划、反应分类）上效果改善显著。

研究表明，在逆合成规划和反应分类任务上，精心设计的提示可以驱动 LLM 达到令人惊讶的表现水平。但提示敏感性、领域知识有限和输出不一致性仍是主要瓶颈。

6.2 领域特化微调

通过在化学文献和领域数据集上继续预训练，ChatGPT 类模型可以内化领域语言与逻辑：

• • 在化学性质回归、反应预测、文献知识提取上表现提升。
• • 在无机化学、热电材料等细分领域，即便在小规模数据集上微调也有效。
• • 关键挑战：结果对数据质量和任务设计高度敏感。

七、关键挑战与未来展望

7.1 当前核心挑战

7.2 未来发展方向

综述总结了以下前沿趋势：

1. 1. 向先验知识对齐：在训练过程中更有效地融合化学/生物物理约束与先验知识，而非仅依赖数据驱动。
2. 2. 统一多模态基础模型：整合表观遗传标记、空间转录组学、蛋白质表达数据和扰动信号，构建更全面的细胞表征。
3. 3. 可解释性提升：发展可解释的 attention 机制和特征归因方法，为实验验证提供可信指导。
4. 4. 标准化评估体系：建立跨化学与生物域的统一基准框架，推动严格的模型对比。
5. 5. 智能体科学系统：更成熟的"AI 科学家"系统，具备假设生成、实验设计、结果解读的闭环能力。
6. 6. 设计-构建-测试-学习（DBTL）循环加速：LLM 作为整个生物医学发现管线的协作平台。

小结：一张关于科学 AI 的全景地图

这篇综述最大的价值在于提供了一个统一的分析框架：

分子信息  →  表征设计  →  模型架构  →  训练策略  →  下游任务

无论是蛋白质语言模型还是化学语言模型，无论是结构预测还是分子生成，都可以沿着这条主线进行定位和比较。

核心判断：

• • 表征是科学 LLM 的第一性问题，决定了模型的能力天花板。
• • 规模（模型参数 + 数据量）和架构（如何处理长序列、多模态）同等重要。
• • 专用科学 LLM 与通用 LLM 的能力边界正在快速变化，混合策略（通用模型 + 领域微调 + 工具调用）代表当下最优实践。
• • 智能体系统是下一个爆发点，但距离真正的"自主科学发现"仍有相当距离。

对于正在这个领域工作或希望进入的研究者而言，这篇综述是建立系统认知的绝佳起点。