李敏：挖掘数据背后隐藏的生命信息

编者按

“中国青年女科学家奖”是欧莱雅和联合国教科文组织“为投身于科学的女性”计划在中国的发展和延伸，由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会以及欧莱雅中国于2004年联合设立，已成为专门面向广大女科技工作者的全国性奖项。截止第19届，共有204位女科学家脱颖而出，她们弘扬科学家精神，矢志科技报国。女科学家，一代耀一代。

果壳采访了第十九届“中国青年女科学家奖”的部分获奖女科学家，让我们一起听听她们与科学的故事。

被采访者：

李敏 中南大学计算机学院/生物信息计算与数字健康

2023年末的一个周五傍晚，大多数人都在享受下班前的轻松时刻，但中南大学计算机学院院长李敏却仍然忙碌在办公室，她一边和同事讨论工作，一边接受我们的采访。

前不久公布的本年度中国青年女科学家奖名单中，李敏的名字赫然在列，她的履历表上列举了一系列引人注目的科研成就：其中包括2022年度高等学校科学研究优秀成果奖、2021年吴文俊自然科学奖、以及2019年湖南省自然科学奖等。当被问及“你是什么时候开始意识到自己是一个科学家了”，她没有犹豫：“大家对科学家的定义可能不一样，我个人认为，必须是像袁隆平、屠呦呦这样对全人类社会做出巨大贡献的人，才能称之为科学家。虽然同学聚会时偶尔有人开玩笑说‘我们的科学家同学’来了，但我自己从来没有这个意识，我一直都认为自己只是一个愿意踏实做事，并且相对刻苦努力的科研工作者。”

选择、转型与热爱

中南大学计算机系李敏教授在2022中国人工智能大会上发言

在采访中，李敏教授分享了她在生物信息计算和数字健康领域的研究旅程。值得一提的是，她在本硕博阶段分别攻读了三个不同的专业。本科是通信工程专业，硕士是交通运输工程及控制，博士则是计算机应用技术。

和我们大多数人一样，高中刚毕业的她，听取了高中班主任的建议报考了电子信息专业，当时是大类招生，后面选专业的时候整个寝室的五个小伙伴一起选择了通信工程专业。寝室的氛围特别好，五个来自东西南北不同地域不同省份的小姑娘一起学习，一起早起，一起熬夜，一起度过了大学最难忘的美好时光。与许多人的大学经历不同，她大学期间成绩一直名列前茅，不仅连续获得特等奖学金，而且通过兼职家教赚取生活费，甚至能够在经济上支持家里。凭借其优异成绩，她自然而然地获得了保研的资格。"

新千年之初，她便开始了硕士的科研之旅。在整个硕士期间，她的论文和项目完成得都十分出色，毕业后便留校工作，同时也报考了博士，开启了她在职博士之旅。正是这个契机，让她进入了生物信息领域。

在那时，从计算机科学到生物信息学的跨界是一项巨大的挑战，当时国内做生物信息学的人还不是很多，对他们来说一切都需从零开始。他们在网上搜集了众多的研究论文，并将其打印成册，博士生和硕士生共同组成研究小组，来读那个册子，一点一点地“啃”。回顾这个过程，李敏认为这实际上是一次学术上的转型，是真正的跨学科交叉融合。尽管这一选择最初是她不得不脱离舒适区的被动决定，她却在其中发现了无限的乐趣，并逐渐将其转变为深刻的热爱。

“你对问题的研究越深入，就越能在数据中发现许多有趣的现象，这些往往是生物学家或医生所忽视的。”

“在生物学研究中，往往专注于某个特定的通路、几种蛋白质或几个基因，很少将视角拓展到更全局的层面。然而，从计算科学的角度看，我们能将来自不同组学、不同时间和空间的数据整合在一起，这使我们能够超越传统生物学研究的局限，从更广泛、更系统、跨尺度、跨模态的角度进行分析和预测，揭示数据中隐藏的深层次信息。”

挖掘、预测与设计

2022年12月，李敏教授在中国人工智能大会上参加机器学习前沿及应用专题论坛做“面向复杂生物医学数据的模式挖掘与智能算法”报告，并参加PANEL

如果说20年前，我们会发现计算和数据挖掘给生命科学研究开辟了新的可能性。那么20年后，这个方向上取得的进展足以证明在科学领域一切皆有可能。科学的发展往往呈现出跃迁式增长：一旦突破了某个关键点，就将喷涌出一系列可观的进展发现。例如，2020年11月30日，谷歌旗下的人工智能技术公司 DeepMind 开发的Alphafold破解了困扰科学界半个世纪之久的蛋白质分子折叠难题，世人这才意识到深度学习算法已经如此强大，看似与普通人生活遥不可及的科学技术，实际上已经与我们的日常生活越来越密切相关。

近年来，李敏的工作集中在基因组组装与三维结构解析、生物网络构建与分析，以及关键蛋白质、疾病基因和药物靶标的预测等领域。她强调，“生物信息是一个强交叉领域，要想做好交叉研究，关键在于架起计算机和生物医学的桥梁，要跟着生物学家和医生的思维学习他们的故事，将计算机专业中的算法知识与生物问题融合，从复杂生物数据出发，通过挖掘生物数据背后隐含的生物特征，探索生物数据内部深蕴的规律，进行面向特征的计算建模。

虽然很抽象，但她还是给我们做了一些解释，深入浅出的介绍了这几个方向的研究内容：

在基因组测序方向上，使用计算机算法做基因组组装，打个比方，可以看作我们小孩进行拼图游戏，卡片数量越多，相似卡片越多，拼图越困难。可以想象一下，成千上万，甚至更多的卡片，这里面的卡片可能还有破损，甚至可能还有几张不见了，那么想完整地拼出原图有多困难。而实际上，基因组的组装比这更加困难。基因组中含有大量重复区域，在基因组测序过程中还可能存在测序错误以及测序不均衡问题，这些都会给组装带来计算上的挑战。因此，在设计组装算法的时候就需要考虑测序数据的特性，不同的测序技术产生的生物数据差异很大，如新一代测序技术产生的是成对的读数，我们可以利用双端读数的插入距离分布等等特征，来对其进行组装。

组装得到的基因组可以看作一条由脱氧核糖核酸（DNA）组成的“长绳子”，它被高度压缩后存放在细胞核中。从外部看起来，它就像杂乱无章的毛线团，但实际上却具有特定的空间结构，这些结构的改变与发育、疾病密切相关。李敏团队从最开始对三维基因组相关测序数据分析的Benchmark平台、基于多组学集成的机器学习方法以及直接从基因组序列信息出发的深度学习模型，做了一系列工作。

此外，在蛋白质组学领域，李敏团队也开展了深入的研究工作。在生物体中，蛋白质并非孤立地执行功能，而是需要通过动态地与其他蛋白或生物分子的相互作用以发挥作用。为了深入理解分子之间的相互作用及其与疾病之间的关联，李敏团队用计算机算法构建生物网络并分析。

2022年8月，李敏教授受邀参加中国科协第一期巾帼创新沙龙暨2022 CCF“计算之美”学术大会

用计算的方法预测关键蛋白质和疾病基因能为生物学家和医生进行生物实验提供很好的参考。对于传统的医学生物实验，往往能实现“四两拨千斤”。中南大学生命科学院、湘雅医院、湘雅二医院等单位的很多研究者都曾找过她，请求李敏团队利用公共数据提前预测，他们系统构建了人早期红系发育进程中蛋白和磷酸化蛋白的分子调控网络，通过计算分析发现了新的调控红系发育关键激酶，为研究红细胞分化与红系相关疾病提供了理论基础。他们还通过计算分析成功地预测了WNT基因家族中与心肌再生密切相关的几个重要基因，在后续的实验也证实预测基因确实扮演着重要的角色。

同样的，在药物研发领域，算法和人工智能发挥的作用也越来越大。药物化学中，Lipinski法则用于评估具有药理或生物活性的化合物是否有潜力成为口服药物。然而在实际应用中，要从海量候选分子中发现具有初始活性的靶向化合物，通常依赖于成本高昂的高通量筛选技术。因此，越来越多的药物化学家开始寻求计算机科学家的帮助。李敏团队提出的药物分子生成方法，巧妙地利用了药效团假说，设计了药物团引导的生物活性分子生成深度学习方法。合理设计具有所需生物活性的新型分子是药物研发的关键，但同时也是一项极具挑战性的任务，尤其是在治疗新的靶标家族。他们另一项预先发表在bioRxiv上的工作，则预测了药物与靶标蛋白的作用关系以及结合能力，并细化预测了药物与靶标蛋白存在的激活或抑制作用。

在采访过程中，我们对于她指出的“科研需务实”印象深刻。她表示：“我们并不希望算法仅仅只是在几个指标上拥有优秀的性能，而更希望提出的算法能够为生物学家和医生所用，能够为生物问题提出可行的解决方案。因此，我们实验室提出的算法，几乎都提供了开源代码，或工具软件或Web平台，提出的算法和开发的工具只有被使用才有价值，才能有效推动前沿科学研究的发展。”

成长、支持与新角色

回顾自己的成长历程，李敏深深感激那些一路赋予她正面影响的人。引领她进入生物信息学领域的一共有三位恩师：王建新教授、陈建二教授和潘毅教授。“三位恩师对学科中的前沿技术和方法有着敏锐的洞察力和独到的见解，特别是王建新老师在中南大学计算机学院开创了生物信息学这一前沿交叉学科，也开启了我的生物信息学科研之路”。回忆起博士阶段的学习时光，李敏说道，“他们不仅是我的学术榜样，不断激励我探索未知，也以严谨的治学态度和精益求精的工作作风，影响了我的人生态度，指导我立德、立功、立言。”

她认为，与老师一起研究科学问题、解决实际应用问题取得成功后的喜悦是其他工作所无法替代的，“科学研究是持续向前发展的，它的魅力在于未知。探索未知是永远不会感到枯燥的。”因此，她选择留在学校。在老师的悉心引领下，逐渐成长为一个有能力带着自己的学生探索未知的老师。和学生一起讨论问题，是一件让她充满活力的事情。

李敏教授在指导学生开展课题研究

翻阅李敏的学术个人页面，学术成果之丰富让人联想到她的工作强度之高。“有一年，我刚刚做完手术，医生建议的恢复时间至少是一个月。那时正处在申请国家自然科学基金的关键时期，已建立起联合申报的团队，不能因自己的个人原因半途而废。一忙起来，所有的医嘱都抛之脑后了，连续工作了一个多月。最终功夫不负有心人，基金成功通过了答辩。”

家庭是温馨而坚强的港湾，李敏认为她的成功与家人的支持与陪伴息息相关。在她为工作而忙碌的时候，家人给予了她无限的理解和支持。她也尽可能抽出时间陪伴爱人、老人和孩子。每年的寒暑假尽量陪着四位老人和孩子一起回老家看看或去海边转转。对于李敏而言，快乐非常简单，只需家人在旁。

在早春陪孩子一起种树的李敏

在今年9月份，李敏步入了新的职业阶段：她当选为计算机学院的新任院长。角色的转变意味着她需要从一头扎在科学问题里的状态做一些转换：科研是钻研学术问题，讲究深度；而院长的职务则意味着广度。这需要她去考虑学科的发展、学院的发展等具体问题。这意味着全新的挑战，但作为中南大学计算机学院首位女院长，她认为，女性身份赋予了她具有独特的亲和力和细致的管理优势。

现在的环境和她年轻时候不一样，现在的年轻人想法也很不一样，当有青年老师入职时，她都会找他们谈一谈。“作为老师，首要责任是教书育人，每个老师都必须坚守立德树人的初心使命，在培养扎实学识上下功夫，要聚焦领域前沿，在自己的研究方向上深耕细作，有所建树，要敢于挑战难题，不要为眼前的短期利益所困，要目光长远。”“每个人的知识背景不同，思维方式也不同，所擅长的东西也不同，每个人都应该有属于自己的发展目标和方向，要知道自己想要成为怎样的人，并通过奋斗成为想成为的自己。”

采访/撰文：小庄

编辑：吴欧

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