研究人员正在探索世界上第一个虚拟人体细胞，这是一种人工智能模型，旨在模拟人类生物分子、细胞和组织的复杂行为。这项创新可以开辟新的方式来理解生物学的复杂性并推进医学研究。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共同努力，旨在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以显著增强我们对人体生物学的理解，促进计算机模拟实验，加快医学研究，为个性化医疗铺平道路。
人工智能和虚拟人体细胞斯坦福大学、基因泰克和陈-扎克伯格倡议的研究人员认为，人工智能 (AI) 的进步和大规模生物数据的可用性为构建世界上第一个虚拟人体细胞创造了“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。
人工智能增强生物学的探索斯坦福大学工程与医学院生物工程和病理学副教授、《细胞》杂志一篇新文章的资深作者艾玛·伦德伯格 (Emma Lundberg) 表示：“模拟人类细胞可以被视为生物学的圣杯。人工智能提供了直接从数据中学习的能力，并超越假设和猜测，发现复杂生物系统的新兴特性。”
伦德伯格与斯坦福大学同事、陈-扎克伯格计划生物工程学教授兼科学主任斯蒂芬·奎克 (Stephen Quake) 以及工程学院计算机科学教授尤雷·莱斯科维克 (Jure Leskovec) 共同撰写了这篇文章。其他资深作者包括陈-扎克伯格计划科学人工智能负责人 Theofanis Karaletsos 和基因泰克研究执行副总裁 Aviv Regev。
合成细胞模型的显著优势这种合成细胞模型不仅可以让我们更深入地了解使健康人体细胞发挥作用的化学、电、机械和其他力量和过程的复杂相互作用，还可以揭示导致细胞功能障碍或死亡的疾病的根本原因。
或许更有趣的是，人工智能虚拟细胞还能让科学家在计算机中而非体内进行实验——在计算机上而不是在活体细胞和生物体上。这种能力将扩大人类对人体生物学的理解，并加速寻找新疗法、新药物，甚至可能治愈疾病的方法。
数字生物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变成恶性细胞。
微生物学家也许有一天能够预测病毒对受感染细胞甚至宿主生物的影响。医生也许有一天会在患者的“数字孪生”身上测试治疗方法，从而加速实现人们期待已久的更快速、更经济、更安全的个性化医疗时代。
然而，作者表示，要想获得成功，人工智能虚拟细胞需要实现三个目标。首先，它需要让研究人员能够创建跨物种和跨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是，人工智能虚拟细胞将允许在计算机上进行实验来测试假设并指导数据收集，从而以远低于当今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，人工智能开创了科学的“三连胜”，它开创了一个工具可预测、可生成、可查询的时代，但创建虚拟细胞所需的原始生物数据规模之大也是毋庸置疑的。相比之下，作者指出，美国国立卫生研究院编制的DNA测序数据仓库名为“短读档案”，目前包含超过 14 PB 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。它需要从遗传学和蛋白质组学到医学成像等领域的协调一致的全球开放科学合作，以及学术界、工业界和非营利组织的全球利益相关者之间的密切合作。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在假设结果模型将不受限制地提供给整个科学界的前提下进行。
“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还需要十年甚至更长时间才能问世，”伦德伯格断言道：“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，现在是科学界团结起来、开始彻底改变我们理解和模拟生物学的方式的时候了。”
Lundberg 和 Leskovec 都是斯坦福 Bio-X 和吴仔神经科学研究所的成员，也是以人为本人工智能研究所 (HAI) 的教职员工。Quake 还是工程学院的 Lee Otterson 教授，也是 Bio-X、心血管研究所、吴仔人类表现联盟、斯坦福癌症研究所和吴仔神经科学研究所的成员。
参考文献：“如何利用人工智能构建虚拟单元：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，安德里亚·卡利法诺、乔纳·库尔、艾比·F·德恩伯格、科斯蒂·尤因、艾米丽·B·福克斯、马蒂亚斯·豪里、 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,瑟琳娜·杨-利维，马林卡Zitnik、Theofanis Karaletsos、Aviv Regev、Emma Lundberg、Jure Leskovec 和 Stephen R. Quake，2024 年 12 月 12 日，Cell。DOI：10.1016/j.cell.2024.11.015
作者：Andrew Myers，斯坦福大学
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