模型观察 · BIOEMU 2 · 2026.10.20

微软 BioEmu 2:从模拟蛋白质,到模拟分子之间的关系

从结合姿态到酶的开合,BioEmu 2 将结构、平衡分布与时间传播放进同一工具;但演示、基准与定量预测之间,仍有必须划清的边界。

2026 年 10 月 20 日,微软 BioEmu 2 开放公开预览。团队展示的画面里,一条 PUMA 肽与 MCL-1 相遇、接触并结合。但这段模拟提出的问题,已经超出“蛋白质长什么样”:两种分子如何相处,又如何共同变化?

原版 BioEmu 主要面向单体蛋白的近似平衡构象分布,新版本则支持多链复合物、核酸与配体。但“分子关系”仍指具体体系中的空间配合与构象变化。它把观察单位从一条链,扩展到了分子之间的相互影响。

PUMA 肽结合 MCL-1 的模拟截帧
PUMA 肽结合 MCL-1 的团队模拟截帧;本帧步长为 0.5 μs,勿与发布文的 5 μs 性能口径混用(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布演示)

像把模糊画面逐渐显影,这个系统通过去噪生成分子构象:模型卡称其为全原子扩散模型,规模约 5 亿参数。但输入需要研究者给定化学组成;它生成结构集合,不负责凭空设计新序列,也不直接输出结合亲和力。

团队把下一阶段目标指向可规模化的功能研究:分子怎样运动、结合,这些变化又怎样关联功能。但功能仍然比结构更难验证。从一段漂亮动画到可用于实验决策的预测,中间还隔着分布、时间尺度和适用范围的检验。

团队对测序、结构与功能预测的定位
团队对测序、结构与功能预测的定位;“SOLVED”为宏观概括,不代表全部结构问题已经解决(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布长文)
≈ 500M
全原子扩散模型参数量据官方模型卡 · 约 5 亿
1–1000 ns
优先使用的主要训练滞后区间据时间传播文档 · 非准确性保证
MIT
代码与模型卡的许可标注开放许可不等于用途已验证
STRUCTURE / ENSEMBLE

合影拍得准,为什么还不够?

一张合影能看清站位,却无法交代人们怎样走动。BioEmu 2 的结构预测模式,追求较准确的单个折叠结构。但它没有放弃这条基线:团队公布了与其他模型的结构基准对照,并强调训练、测试划分一致。这也不代表全面领先。

平衡采样则像观察长期活动的分布:同一体系可以出现哪些姿态。官方文档为结构模式加入启发式锐化,平衡模式不做这项锐化。但两者返回的都是独立样本。结构预测、平衡分布与时间轨迹,回答的是三类不同问题。

团队公布的结构预测基准
团队公布的结构预测基准;不同任务指标与训练集相似度需要分别阅读,不宜压成单一排名(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布长文)

据团队发布,BioEmu 2 在展示的 MD 基准上,自由能表面误差约为 1 kcal/mol,覆盖约 50%–100% 的 MD 结构。但这些是特定基准的报告结果,不能外推成任意分子的通用精度。MD 在这里指作为对照的分子动力学模拟。

覆盖率关心参考分布中的状态有没有被找到,自由能误差则关心分布是否接近。但两项指标不能互相替代,更不能把“约 1 kcal/mol”改写成结合自由能预测精度。模型卡明确把定量结合亲和力与绝对自由能预测列在验证范围之外。

分子动力学分布与模型采样对照
单蛋白、二聚体与蛋白—配体体系的 MD 分布对照;误差和覆盖率均为团队基准结果(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布长文)
MOLECULAR PARTNERS

同一个口袋,为什么有人留下、有人游走?

团队展示的弱结合案例中,配体分布在主要结合口袋及其他表面接触区域;强结合案例的姿态则更集中。但这首先是一组定性演示:模型尝试表达结合状态的分散程度,单个对接姿势无法交代这种差别。

这组原图还藏着一个容易漏掉的细节:弱结合案例标注 K_D=1 mM,强结合案例标注 IC50=3.9 nM。但解离常数与半数抑制浓度属于不同指标,不能直接换算出亲和力倍数。图中的数值也不能当成 BioEmu 2 预测出来的实验活性。

弱强结合案例的构象分布
弱、强结合案例的构象分布;原图分别采用 K_D 与 IC50,不可直接计算亲和力倍数(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布长文)

腺苷酸激酶的例子更直观:它像带着两扇活动盖子的装置。团队报告,无配体时会采到开放与闭合状态;加入 ATP 后,大口袋闭合,再加入 AMP,两处口袋都闭合。但这呈现的是不同配体条件下的构象变化。

这让“分子关系”有了具体含义:换一个结合伙伴,蛋白可采用的姿态分布也会改变。团队把这些开合与 ATP+AMP ⇌ 2ADP 的催化功能联系起来。但展示相关运动,并不意味着模型已模拟化学键变化或定量预测催化速率。

配体改变腺苷酸激酶构象分布
腺苷酸激酶在无配体、ATP、ATP+AMP 条件下的结构预测与平衡采样对照(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布长文)
TIME PROPAGATION

让画面前进,得先给“下一步”一个定义

一沓照片按顺序播放,也能看起来像动画,但它们未必具有时间关系。BioEmu 2 的时间传播会从初始结构出发,按指定时间间隔采样未来端点。团队将其机制称为隐式转移算子;要生成连续推进的序列,需要反复执行传播。

它跳过了两端之间逐步积分的过程,因此获得加速空间。但每一步得到的是未来端点,不能交代途中所有细节。能够跨时间采样,仍需与真实动力学的准确性分别验证。官方建议优先使用 1–1000 ns 的主要训练滞后区间。

腺苷酸激酶功能运动的模拟截帧
腺苷酸激酶盖状结构域运动的团队模拟截帧;画面标注传播步长 50 ns,非实验录像(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布演示)

PUMA–MCL-1 的加速数字需要拆开读。对于 5 ms 模拟、5 μs 传播步长,所提供的 Frank Noé 帖文摘录给出 40 分钟、超过 10 GPU 年的 MD 对照;José Jiménez Luna 长文写的是 8 分钟与约 15 GPU 年。但两套耗时口径尚不能合并。

因此,这里不计算一个统一加速倍数:硬件、采样配置与测量范围仍需对齐。但另一个边界已经清楚:5 μs 超过文档列出的主要训练滞后区间,需单独验证。仓库 B200 耗时图衡量的编码、去噪,也不能替代这项 MD 对照。

官方单卡速度测试
单张 B200 的编码与去噪耗时;去噪均为 200 步,分别生成 1 或 32 个样本,非 MD 加速倍数图(图源:Microsoft BioEmu 2 官方速度文档)
CONTEXT / CONSTRAINTS

细胞装起来的机器,还需要外部线索

团队强调,大型复合物可能由细胞机器组装,不能一概按平衡状态理解。BioEmu 2 允许加入接触条件,让指定位置在采样时靠近。但这些条件属于额外输入;受约束后预测改善,不能算成无条件预测具有同样能力。

在发布视频标注为 8WY8 的 DSR2 四聚体案例中,加入一项接触条件,展示的 RMSD 从 71.2 Å 降到 5.0 Å。但这是具体案例,不能推导为“一条约束总能修好复合物”。RCSB 记录也确认,8WY8 对应 DSR2 的无配体复合物。

接触约束改变大复合物预测结果
DSR2 四聚体加入一项接触条件前后;体系依原视频的 8WY8 标注及 RCSB 记录识别(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布演示;RCSB PDB)

面对单卡放不下的体系,仓库提供上下文并行,把模型的成对表示拆到多张 GPU。官方要求至少 4 张卡。但“算得下”与“预测可靠”仍是两回事:增加设备解决容量问题,不能自动补足生物学上下文。

团队展示了多种大型复合物及多卡吞吐结果,发布文也提到超过一万残基的体系。但模型卡同时提醒,超过一万 token 的极大体系可能难以保持物理合理性。残基与 token 也非始终一一对应,配体重原子会单独计数。

大复合物预测与多卡扩展
大复合物的团队预测演示及 B200 多卡吞吐曲线;静态截帧,非本次独立测试(图源:José Jiménez Luna/Microsoft Research 发布演示)
RESEARCH PREVIEW

开源之后,什么还要重新证明?

代码仓库采用 MIT 许可,Hugging Face 模型卡也标注 MIT;当前默认检查点名称带有 preview。但开放获取不等于下游用途已经验证。模型卡建议在商业或实际应用前进一步测试,这项建议也不应直接被改写成“许可证禁止商用”。

更关键的限定写在模型卡里:采样频率不可直接视为校准后的玻尔兹曼概率或定量自由能。但这条提醒容易被基准图遮住。在展示体系上接近 MD,与在新体系中获得可信定量预测,之间仍有验证工作。

模型卡的已知局限原文节选
官方模型卡已知局限原文节选,按原文重排;包含未校准系综与配体用途边界(图源:Microsoft BioEmu 2 模型卡)

实际使用还有更朴素的检查:断链、碰撞、失败帧。官方文档说明,几何检查不会自动删掉不合格样本;当前也没有核酸或配体的对应物理性检查。但输入范围已经包含这些组分,因此使用者必须自己补上质量审查。

截至发稿,本文依据公开文档、模型卡与团队演示,未取得第二代完整论文,也未独立跑分。但真正值得追问的门槛已经具体起来:换一个分子伙伴、一个训练中少见的体系,这些看起来合理的运动,还有多少能被实验留住?

采样文档中的物理性检查说明
官方采样文档原文节选,按原文重排;失败帧不会自动删除,核酸与配体没有对应检查(图源:Microsoft BioEmu 2 官方采样文档)