為何AI公司競相打造虛擬人類細胞

(SeaPRwire) –   人體細胞就像一台魯布·戈德堡機械，充滿了生物連鎖反應，這些反應決定著生死。了解這些微妙的關係以及它們在疾病中如何出錯是生物學的核心魅力之一。一個基因中的單一錯誤會使它產生的蛋白質彎曲成錯誤的形狀。形狀錯誤的蛋白質無法完成其工作。由於缺少該蛋白質，生物體（也就是您）可能會開始崩潰。

然而，細胞非常複雜，因此很難了解一種蛋白質的失效如何在系統中擴散。艾倫細胞科學研究所的計算生物學家和科學插畫家 Graham Johnson 回憶起 15 年多前在午餐桌旁幻想一個細胞的電腦模型，該模型如此詳細、如此完整，以至於科學家可以觀察到這些過程的發生。當時，「每個人都只是竊笑，」他說。「這太不切實際了。」

但現在，一些研究人員正在使用人工智慧 (AI) 朝著「虛擬細胞」的目標邁出新的步伐。Google 的 DeepMind 正在努力，而 Chan Zuckerberg Initiative (CZI) 已將虛擬細胞作為其 Biohub 研究網路的主要重點，CZI 的人工智慧高級主管 Theo Karaletsos 說。甚至還有 由 Arc Institute 設立的，用於虛擬細胞風格的模型。所有這些努力的目標是預測健康和患病細胞如何運作，其細節程度足以加速藥物的開發並加速科學發現。一些人認為，虛擬細胞甚至可以簡化基礎研究，將生物學家從實驗室工作台轉移到鍵盤上。

到底什麼是虛擬細胞？

虛擬細胞的精確定義因您與誰交談而異。一些科學家，例如 Johnson，希望虛擬細胞將包括一個可以點擊瀏覽和探索的視覺表示。其他人則主要將其視為一組可以回答問題並預測可能發生的事情的電腦程式。但這個概念並不是一個新想法。幾十年來，生物學家一直在建立細胞過程的數學模型。為了建立這些模型，研究人員利用來自真實細胞實驗的數據，提出描述正在發生的事情的方程式。

現在，由於允許科學家監視單個細胞活動的技術，關於人體細胞的數據比以往任何時候都多。但是，弄清楚每個過程的方程式並將它們放在一起是一項艱鉅的任務。「過去的做法」——也就是手動——「我會說，只有非常有限的成功，」史丹佛大學教授兼 CZI 前科學主管 Stephen Quake 說。去年，他和一些其他研究人員 發布了一個願景，提出了另一種方法，該方法將關於細胞的數據直接饋送到專門的人工智慧 (AI) 中。「你建立直接從數據中學習的模型，而不是試圖寫下方程式，」他說。

Quake 和他的同事們已經取得 已經取得了一些成果。他們使用來自 12 種不同物種的細胞數據來訓練人工智慧 (AI)。Quake 說，然後，人工智慧 (AI) 能夠對它以前從未見過的物種的細胞做出準確的預測。儘管沒有給予有關這些連結的任何信息，但它也能夠推斷出單個物種中不同類型細胞之間的關係。「這就是讓我個人對這種方法超級興奮的原因，」Quake 說。

另一個研究團隊，包括 Google DeepMind 的一些研究人員，正在 他們已經在關於細胞的大型數據集上訓練了人工智慧 (AI)，允許用戶提出諸如「這種細胞將如何對這種藥物產生反應？」之類的問題，然後接收關於細胞的哪些部分可能受到影響的答案。

這些只是科學家為創建虛擬細胞而採取的一些方法。最終可能會出現許多不同種類的虛擬細胞，專為不同種類的研究人員使用而設計。例如，癌症生物學家使用的虛擬細胞可能與細胞生物學家使用的虛擬細胞不同，後者希望回答關於給定結構如何進化的問題。而且他們可能會同時使用傳統的建模方法和人工智慧 (AI)。

虛擬細胞可能讓我們做什麼

虛擬細胞可以更快、更容易地發現新藥。它們還可以深入了解癌細胞如何逃避免疫系統，或者個體患者如何對給定的治療方法產生反應。它們甚至可以幫助基礎科學家提出關於細胞如何運作的假設，從而引導他們進行真實細胞的實驗。「這裡的總體目標，」Quake 說，「是試圖將細胞生物學從一個 90% 是實驗和 10% 是計算的領域轉變為相反的方向。」

一些科學家質疑人工智慧 (AI) 做出的預測有多大用處，如果人工智慧 (AI) 無法為它們提供解釋。「通常，人工智慧 (AI) 模型是一個黑盒子，」英國維康桑格研究所的系統生物學家和博士後研究員 Erick Armingol 說。換句話說，它們給你一個答案，但它們無法告訴你為什麼給你這個答案。

「就我個人而言，我最終進入這個領域是因為我想模擬整個人體以及細胞如何相互連接和互動。所以那是夢想，」他說。黑盒子答案可能對指導藥物開發有幫助，但它們可能對基礎科學家沒有那麼有用——至少對於目前許多人工智慧 (AI) 的設置方式而言。（來自 CZI 的 Karaletsos 說，他們的一些人工智慧 (AI) 的設置是為了提供他們推理的解釋。「我們想要理解，而不僅僅是預測，」他說。）

撰寫了一篇 關於建立虛擬細胞的重要性的文章的 Johnson 希望無論科學家最終建造什麼，都能夠被視覺化。他理想的是「一個複雜事物的視覺、互動、直觀的版本，」他說。「我認為人工智慧 (AI) 對於實現這一切絕對至關重要。我只是對黑盒子預測作為主要結果不感興趣。」

無論它們如何建造，某種類型的虛擬細胞可能需要一段時間才能啟動並運行。「這不是明年會完成的事情，」Quake 說。「我認為需要整整十年的時間才能實現其潛力。」

但自從很久以前的午餐聊天以來，Johnson 說，細胞生物學和計算機科學的進步從根本上改變了有一天擁有虛擬細胞的前景。「我不再覺得自己是一個只是對此胡言亂語的瘋子了，」他說。「現在感覺是可信的了。」

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