Cell：一组顶尖科学家呼吁创造人工智能虚拟细胞

一组顶尖科学家表示，人工智能的进步和大量实验数据使虚拟细胞触手可及。但实现这一目标需要前所未有的全球合作。

　　

斯坦福大学（Stanford University）、基因泰克（Genentech）和陈-扎克伯格倡议（Chan-Zuckerberg Initiative）的研究人员指出，人工智能的最新进展和人类生物学大规模实验数据的存在已经达到了临界质量，他们表示，科学有一个“前所未有的机会”，可以利用人工智能（AI）创造世界上第一个虚拟人类细胞。这样的细胞将能够代表和模拟人类生物分子、细胞以及最终组织和器官的精确行为。

斯坦福大学工程和医学院生物工程和病理学副教授艾玛·伦德伯格（Emma Lundberg）说：“对人类细胞进行建模可以被认为是生物学的圣杯。”她在《细胞》（Cell）杂志上发表了一篇新文章，建议全球共同努力，创造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，超越了假设和直觉，发现了复杂生物系统的新特性。”

伦德伯格的资深作者包括两位斯坦福大学的同事：陈-扎克伯格倡议的生物工程教授兼科学主任斯蒂芬·奎克，工程学院计算机科学教授朱尔·莱斯科维奇，以及陈-扎克伯格倡议的人工智能科学负责人泰奥法尼斯·卡拉莱索斯和基因泰克公司的研究执行副总裁阿维夫·雷格夫。

卓越的承诺

这样的合成细胞模型既可以让我们更深入地了解化学、电子、机械和其他力量和过程之间复杂的相互作用，这些力量和过程使健康的人类细胞发挥作用，也可以揭示导致细胞功能障碍或死亡的疾病的根本原因。

也许更有趣的是，人工智能虚拟细胞还可以让科学家在计算机上而不是在活体上进行实验，而不是在活细胞和生物体上。这种能力将扩大人类对人类生物学的理解，并加速寻找新的疗法、药物，甚至可能治愈疾病的方法。

癌症生物学家可能会模拟某些突变如何使健康细胞变成恶性细胞。

微生物学家可能有一天会预测病毒对受感染细胞甚至宿主生物的影响。也许有一天，医生们会在他们的病人的“数字双胞胎”身上测试治疗方法，加速实现一个长期承诺的更快、更经济、更安全的个性化医疗时代。

然而，要被认为是成功的，作者说人工智能虚拟细胞需要完成三个结果。首先，它需要授权研究人员创建跨物种和细胞类型的普遍表征。它还必须准确地预测细胞的功能、行为和动力学，并理解细胞的机制。最后但并非最不重要的是，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，从而以远低于今天的速度和成本扩展虚拟细胞的能力。

全球合作

在作者所称的科学“三连胜”中，人工智能开创了一个具有预测性、生成性和可查询性的工具时代，但不可否认的是，创建虚拟细胞所需的大量原始生物数据。相比之下，作者指出，由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）编制的DNA测序数据仓库名为“短读档案”（Short Read Archive），目前包含超过14pb的数据——比用于训练ChatGPT的数据集大1000倍。

实现人工智能虚拟细胞并不容易。这需要在从遗传学和蛋白质组学到医学成像等领域开展空前规模的协调一致的全球开放科学合作，并需要在学术界、工业界和非营利组织的全球利益相关者之间建立密切的伙伴关系。与此同时，作者谨慎地指出，任何针对人工智能虚拟细胞的工作都应该在假设结果模型将不受限制地提供给整个科学界的情况下进行。

“这是一个庞大的项目，与基因组计划相当，需要跨学科、行业和国家的合作。我们知道，功能齐全的模型可能在10年或更长时间内都无法实现。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，科学团结起来，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。”