研究人员正在探索世界上第一个虚拟人类细胞，这是一种由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。这一创新可能为理解生物学的复杂性开辟新途径，并推进医学研究。图片来源：Emma Lundberg
斯坦福大学、基因泰克和陈-扎克伯格倡议的专家们正共同努力，利用人工智能开发世界上第一个虚拟人类细胞。
这项开创性的努力可能会显著增强我们对人类生物学的理解，促进计算机模拟实验，加快医学研究，并为个性化医疗铺平道路。
人工智能与虚拟人类细胞
斯坦福大学、基因泰克和陈-扎克伯格倡议的研究人员相信，人工智能（AI）的进步和大规模生物数据的可用性创造了构建世界上第一个虚拟人类细胞的“前所未有的机会”。这一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。
追求增强型生物学
“建模人类细胞可以被视为生物学的圣杯，”斯坦福大学工程学院和医学院生物工程和病理学副教授、《细胞》杂志上提出创建世界首个AI虚拟细胞的全球协作计划的主要作者之一Emma Lundberg说，“人工智能提供了直接从数据中学习的能力，使我们能够超越假设和直觉，发现复杂生物系统的涌现属性。”
Lundberg与斯坦福大学同事Stephen Quake（生物工程教授兼陈-扎克伯格倡议科学总监）和Jure Leskovec（工程学院计算机科学教授）共同撰写了这篇文章。其他主要作者包括陈-扎克伯格倡议科学负责人Theofanis Karaletsos和基因泰克研究执行副总裁Aviv Regev。
合成细胞模型的前景
这种合成细胞模型不仅能够更深入地理解健康人体细胞工作的化学、电学、力学和其他力量和过程之间的复杂相互作用，还可以揭示导致细胞功能障碍或死亡的疾病根源。
或许更引人注目的是，AI虚拟细胞还将允许科学家进行计算机模拟实验，而不是活体实验。这一能力将扩大人类对人类生物学的理解，加快寻找新的治疗方法、药物，甚至可能治愈疾病的速度。
数字生物学时代的愿景
癌症生物学家可以建模某些突变如何使健康细胞变成恶性细胞。
微生物学家未来或许能够预测病毒对感染细胞甚至宿主生物的影响。医生或许有一天可以在患者的“数字双胞胎”上测试治疗方案，加速长期以来承诺的更快、更经济高效和更安全的个性化医疗时代。
然而，作者表示，要被认为成功，AI虚拟细胞需要实现三个目标。首先，它需要赋予研究人员跨物种和细胞类型的通用表示能力。其次，它需要准确预测细胞功能、行为和动态，并理解细胞机制。最后，AI虚拟细胞应允许在计算机上进行实验，以检验假设并指导数据收集，从而快速且成本低廉地扩展虚拟细胞的能力。
大规模生物数据的挑战
作者称之为科学的“三重奏”，人工智能已经开启了工具的预测性、生成性和可查询性时代，但创建虚拟细胞所需的大规模原始生物数据是不可否认的。相比之下，作者提到了美国国立卫生研究院编纂的DNA测序数据存储库——短读序列档案，该档案现在包含超过14PB的数据——比用于训练ChatGPT的数据集大一千倍。
实现AI虚拟细胞并非易事。这将需要一个前所未有的全球开放科学合作，涉及从遗传学到蛋白质组学再到医学影像等多个领域的合作，以及学术界、工业界和非营利组织之间的紧密伙伴关系。同时，作者谨慎地指出，任何朝向AI虚拟细胞的工作都只能在假设最终模型将不受限制地提供给整个科学界的情况下进行。
“这是一个巨大的项目，类似于基因组项目，需要跨学科、行业和国家的合作，我们理解完全功能的模型可能需要十年或更长时间才能问世，”Lundberg断言，“但凭借当今迅速扩展的人工智能能力和我们庞大且不断增长的数据集，现在是科学界团结起来，开始革命性地改变我们理解和建模生物学方式的时候了。”
参考文献：“如何用人工智能构建虚拟细胞：优先事项和机遇”作者：Charlotte Bunne, Yusuf Roohani, Yanay Rosen, Ankit Gupta, Xikun Zhang, Marcel Roed, Theo Alexandrov, Mohammed AlQuraishi, Patricia Brennan, Daniel B. Burkhardt, Andrea Califano, Jonah Cool, Abby F. Dernburg, Kirsty Ewing, Emily B. Fox, Matthias Haury, Amy E. Herr, Eric Horvitz, Patrick D. Hsu, Viren Jain, Gregory R. Johnson, Thomas Kalil, David R. Kelley, Shana O. Kelley, Anna Kreshuk, Tim Mitchison, Stephani Otte, Jay Shendure, Nicholas J. Sofroniew, Fabian Theis, Christina V. Theodoris, Srigokul Upadhyayula, Marc Valer, Bo Wang, Eric Xing, Serena Yeung-Levy, Marinka Zitnik, Theofanis Karaletsos, Aviv Regev, Emma Lundberg, Jure Leskovec 和 Stephen R. Quake，2024年12月12日，《细胞》。
DOI: 10.1016/j.cell.2024.11.015
Lundberg和Leskovec同时也是斯坦福Bio-X和吴蔡神经科学研究所的成员，以及以人为中心的人工智能研究所（HAI）的教员。Quake还是工程学院的Lee Otterson教授，以及Bio-X、心血管研究所、吴蔡人类表现联盟、斯坦福癌症研究所和吴蔡神经科学研究所的成员。
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