科学家正尝试利用AI开发世界上第一个虚拟人类细胞

研究人员正在探索世界上首个虚拟人类细胞，这是一个人工智能驱动的模型，旨在模拟人类生物分子、细胞和组织的复杂行为。 这项创新可以为了解生物学的复杂性和推动医学研究开辟新的途径。 图片来源：Emma Lundberg

斯坦福大学、基因泰克公司（Genentech）和陈-扎克伯格基金会（Chan-Zuckerberg Initiative）的研究人员认为，人工智能（AI）的进步和大规模生物数据的可用性为建立世界上第一个虚拟人类细胞创造了"前所未有的机会"。 这种由人工智能驱动的模型可以模拟人类生物分子、细胞甚至整个组织和器官的复杂行为。

斯坦福大学工程学院和医学院的生物工程和病理学副教授、《细胞》（Cell）杂志上一篇新文章的资深作者艾玛-伦德伯格（Emma Lundberg）说："人体细胞建模可以说是生物学的圣杯。这篇文章建议全球共同努力，创建世界上第一个人工智能虚拟细胞。人工智能提供了直接从数据中学习的能力，并能超越假设和直觉，发现复杂生物系统的突发特性。"

伦德伯格与斯坦福大学生物工程教授兼陈-扎克伯格倡议科学主任斯蒂芬-奎克（Stephen Quake）和工程学院计算机科学教授尤雷-莱斯科维奇（Jure Leskovec）共同撰写了这篇文章。 其他资深作者还包括陈-扎克伯格基金会科学人工智能主管 Theofanis Karaletsos 和基因泰克公司研究执行副总裁 Aviv Regev。

这种合成细胞模型既能让人们更深入地了解化学、电学、机械以及其他力量和过程的复杂相互作用，这些力量和过程使健康的人体细胞发挥作用，又能揭示导致细胞功能障碍或死亡的疾病根源。

也许更有趣的是，人工智能虚拟细胞还能让科学家在计算机上而不是在活细胞和生物体上进行硅学实验，而不是体内实验。 这种能力将扩大人类对人类生物学的了解，加快寻找新疗法、新药物，甚至是疾病的治疗方法。

数字生物学时代的愿景

癌症生物学家可能会模拟某些突变如何使健康细胞发生恶变。微生物学家也许有一天会预测病毒对受感染细胞甚至宿主生物的影响。 有朝一日，医生可能会在病人的"数字双胞胎"上测试治疗方法，从而加速实现长期承诺的更快、更经济、更安全的个性化医疗时代。

不过，作者表示，人工智能虚拟细胞要想取得成功，需要实现三个目标。 首先，它需要让研究人员有能力创建跨物种和细胞类型的通用表征。 它还必须准确预测细胞功能、行为和动态，并理解细胞机制。 最后但并非最不重要的一点是，人工智能虚拟细胞将允许在计算机上进行实验，以测试假设并指导数据收集，从而以远低于目前的速度和成本扩展虚拟细胞的能力。

海量生物数据的挑战

作者称之为科学的"三连胜"，人工智能开创了一个可预测、可生成、可查询的工具时代，但不可否认的是，创建虚拟细胞需要大量的原始生物数据。 相比之下，作者指出，美国国家卫生研究院（National Institutes of Health）汇编的DNA测序数据库被称为"短读档案"（Short Read Archive），目前已包含超过14PB的数据，比用于训练ChatGPT的数据集大一千倍。

实现人工智能虚拟细胞并非易事。 这将需要全球范围内的协同合作、开放科学合作，其规模前所未有，涉及从遗传学、蛋白质组学到医学成像等各个领域，还需要学术界、工业界和非营利组织等全球利益相关者之间的紧密合作。 与此同时，作者们也谨慎地指出，任何为人工智能虚拟细胞所做的工作都必须假定所产生的模型将不受限制地向整个科学界开放。

伦德伯格断言："这是一个庞大的项目，堪比基因组计划，需要跨学科、跨行业、跨国家的合作，我们知道，功能齐全的模型可能要十年或更长时间才能问世。但是，随着当今人工智能能力的迅速发展，以及我们庞大且不断增长的数据集，科学界联合起来，开始彻底改变我们理解和模拟生物学的方式的时机已经成熟。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1016/j.cell.2024.11.015