AI公司为何争相构建虚拟人体细胞？

(SeaPRwire) –   人体细胞就像一台独一无二的鲁布·戈德堡机器，充满了生物链式反应，这些反应决定着生与死。理解这些微妙的关系以及它们在疾病中如何出错，是生物学核心魅力之一。基因中的一个微小错误可能使它产生的蛋白质弯曲成错误的形状。变形的蛋白质无法正常工作。而由于缺乏这种蛋白质，有机体——也就是你——可能会开始瓦解。

然而，细胞是如此复杂，以至于很难了解一个蛋白质的失效如何通过整个系统扩散。15多年前，计算生物学家兼科学插画师、在 Allen Institute for Cell Science 工作的 Graham Johnson 回忆起在午餐桌上幻想，希望能有一个细胞的计算机模型，这个模型如此详细、如此完整，以至于科学家们能够观察到这些过程的发生。他说，那时“每个人都只是窃笑”，“这太不现实了。”

但现在，一些研究人员正在利用人工智能（AI）朝着“虚拟细胞”的目标迈出新步伐。Google DeepMind 正在，而 Chan Zuckerberg Initiative (CZI) 已将虚拟细胞作为其 Biohub 研究网络的重点，CZI 人工智能高级总监 Theo Karaletsos 表示。甚至还有由 Arc Institute 成立的，用于虚拟细胞式模型。所有这些努力的目标是预测健康和患病细胞的工作方式，其细节之深足以加速药物开发和科学发现。一些人认为，虚拟细胞甚至可能简化基础研究，将生物学家从实验室工作台转移到键盘。

什么是虚拟细胞？

虚拟细胞的精确定义因人而异。一些科学家，如 Johnson，希望虚拟细胞能包含一个你可以点击并探索的视觉表现。另一些人则认为它主要是一套计算机程序，可以回答问题并对可能发生的事情做出预测。但这个概念并非新想法。几十年来，生物学家一直在构建细胞过程的数学模型。为了构建这些模型，研究人员利用真实细胞的实验数据，提出描述正在发生的事情的方程式。

现在关于人类细胞的数据比以往任何时候都多，部分归功于允许科学家监测单个细胞活动的技术。但找出每个过程的方程并将它们全部整合在一起是一项艰巨的任务。斯坦福大学教授、CZI 前科学主管 Stephen Quake 说：“旧的方式”——也就是手动操作——“我不得不说，只取得了非常有限的成功。”去年，他和其他研究人员发表了一篇文章，阐述了另一种方法的愿景，即将细胞数据直接输入专门的 AI。“你构建的模型是直接从数据中学习，而不是试图写下方程式，”他说。

Quake 和他的同事们已经取得了成果。他们利用来自12个不同物种的细胞数据训练了一个 AI。Quake 说，这个 AI 随后能够对它从未见过的物种的细胞做出准确预测。它还能够在不被告知这些联系的情况下，推断出单一物种中不同类型细胞之间的关系。“这让我个人对这种方法超级兴奋，”Quake 说。

另一个研究团队，包括 Google DeepMind 的一些研究人员，正在。他们已经在大量的细胞信息数据集上训练了 AI，允许用户提出诸如“这种细胞将如何对这种药物做出反应？”的问题，然后收到关于细胞哪些部分可能受到影响的答案。

这些只是科学家们在创建虚拟细胞方面采取的一些方法。最终可能会有许多不同类型的虚拟细胞，专为不同类型的研究人员使用。例如，癌症生物学家使用的虚拟细胞可能与细胞生物学家用于回答特定结构如何演变的问题的虚拟细胞不同。而且它们可能同时使用传统的建模方法和 AI。

虚拟细胞可能让我们做什么

虚拟细胞可以使新药的发现更快、更容易。它们还可以深入了解癌细胞如何逃避免疫系统，或者个体患者可能如何对特定疗法做出反应。它们甚至可能帮助基础科学家提出关于细胞如何工作的假设，从而指导他们进行真实的细胞实验。Quake 说：“这里的总体目标是尝试将细胞生物学从一个90%实验和10%计算的领域转变为反过来。”

一些科学家质疑 AI 所做预测的有用性，如果 AI 无法提供解释的话。“AI 模型通常是一个黑盒子，”英国 Wellcome Sanger Institute 的系统生物学家兼博士后研究员 Erick Armingol 说。换句话说，它们给你一个答案，但它们无法告诉你为什么给出这个答案。

“就我个人而言，我之所以进入这个领域，是因为我想模拟整个人体以及细胞如何相互连接和互动。所以这是我的梦想，”他说。黑盒子答案可能有助于指导药物开发，但对于基础科学家来说可能不那么有用——至少按照目前许多 AI 的设置是这样。（CZI 的 Karaletsos 说，他们的一些 AI 设置为提供推理的解释。“我们想要理解，而不仅仅是预测，”他说。）

Johnson 曾撰写了一篇关于构建虚拟细胞重要性的文章，他希望无论科学家最终构建出什么，都能够被可视化。他的理想是“一个复杂事物的视觉化、交互式、直观的版本，”他说。“我认为 AI 对于实现这一切绝对至关重要。我只是对黑盒预测作为主要结果不感兴趣。”

无论它们如何构建，某种形式的虚拟细胞可能还需要一段时间才能投入运行。Quake 说：“这并不是明年就能完成的事情。我认为实现其潜力需要整整十年。”

但 Johnson 说，自从那次久远的午餐谈话以来，细胞生物学和计算机科学的进步已经从根本上改变了未来拥有虚拟细胞的前景。“我不再觉得自己只是一个疯子在胡言乱语了，”他说。“现在感觉它变得切实可行了。”