舒畅世界观察：18亿美元打造“虚拟细胞”——AI开始破解生命的秘密

舒畅世界观察：18亿美元打造“虚拟细胞”——AI开始破解生命的秘密

人工智能发展到今天，又跨出了非常重要的一步。

10月7日，美国非营利科研机构Biohub宣布扩大一项名为“Virtual Biology Initiative”（虚拟生物学计划）的重大科研项目。参加者不仅包括Biohub，还包括美国能源部、美国国立卫生研究院（NIH），以及Google DeepMind、Isomorphic Labs、Meta等人工智能和生物技术领域的重要力量。

整个计划涉及的资金、已有数据、计算资源和新型测量技术，总规模达到约18亿美元。

其中，扎克伯格和妻子Priscilla Chan支持的Biohub此前已经承诺投入5亿美元；美国能源部将在未来五年投入超过5亿美元；NIH将协调利用过去超过5亿美元联邦投资形成的数据集和知识资源；Google DeepMind、Isomorphic Labs和Meta则共同投入3亿美元。因此总共有18亿美元的资金。但是18亿美元并不是现金一次性投入，而是一个包括资金、数据、超级计算能力和实验技术在内的大规模联合计划。

它的最终目标非常大胆：建立能够预测真实细胞行为的“虚拟细胞”。

什么叫“虚拟细胞”？

我们身体里有几十万亿个细胞。癌症、阿尔茨海默病、帕金森病以及大量疑难疾病，最终都与细胞内部或者细胞之间的异常变化有关。现代生物学已经揭示到细胞内部的结构，而且从微观上看，发现存在着对一个非常困难的问题：任何一个人体细胞本身就是一个极其复杂的系统，其复杂性就犹如我们昨天和各位分享过的宇宙的结构一样，而且这种微观世界可能更为复杂！过去多年来，有关方面的科学家希望能够对分子的基因进行观察和改变，并且加入新的物质（也就是药物），通过这种方式来达到某种特定效果，比如研发新药等等。

但是这种实验非常困难，非常难做，他的一个轮回的过程包括了培养细胞，加入药物，改变基因，然后观察结果。失败了，再做一次。一个药物从最初发现到最后真正进入市场，常常需要十年以上时间，而且绝大多数候选药物最后都会失败。

所谓“虚拟细胞”，就是希望利用海量的真实生物学实验数据训练人工智能，让AI逐渐学会细胞内部运行的规律，最终建立一个能够预测细胞行为的数字模型。

到了那个时候，研究人员可以先在电脑里面问：

如果关闭这个基因，会怎么样？

如果加入这种药物，会怎么样？

如果同时使用两种药物，会不会杀死癌细胞，同时尽可能不伤害正常细胞？

人工智能首先在“虚拟细胞”中进行成千上万甚至更多次模拟，然后从中挑选最有希望的方案，再进入真正的实验室验证。

这有点像飞机制造中的飞行模拟器。

过去设计一种新飞机，需要进行大量昂贵而危险的实际测试；今天很多实验首先在计算机中完成。未来的生物医学，也可能发生类似变化。

人工智能为什么突然能够进入生物学？

这里有一个非常有意思的问题。

ChatGPT这样的人工智能为什么进步这么快？

一个重要原因，是互联网已经为人工智能准备好了海量的文字、图像和其他数据。AI通过这些数据逐渐学会了人类语言背后的规律。

但是生物学目前却仍然没有这样一个现成的“互联网”。Biohub科学负责人Alex Rives说得非常形象：我们需要捕捉“生物学的语言”，捕捉“细胞的语言”。现在全世界已有的细胞数据总量是很大：大约是数亿个细胞的量级，但是要训练真正具有强大预测能力的生物学AI模型，可能需要几十亿，未来甚至达到万亿级别的细胞数据。

因此，这次18亿美元计划最重要的工作，并不是马上制造一种治疗癌症的新药，而是首先建立人工智能真正能够理解生命所需要的“教材”。

这可能是未来医学的一项基础工程。

加入人工智能带动一场革命：新药开发可能大大加快

科学家提出了虚拟细胞的概念。这样一来的话，为了开发一种新药，就不再需要从实验室筛选大量化合物，然后经过细胞实验、动物实验，再进入漫长的人体临床试验。整个昂贵，而且失败率极高的过程。

科学家可以首先让AI模拟几万、几十万甚至更多种药物和细胞之间的相互作用，把大量明显没有效果或者副作用太大的方案提前淘汰掉，只让最有希望的候选药物进入真正的实验室和临床试验。

也就是说，大量失败可能首先发生在电脑里面，而不是发生在实验室和病人身上。

如果能够做到这一点，新药研发的时间和成本都可能显著下降。

第二场革命：未来可能从“治疗一种病”走向“治疗一个人”

未来如果虚拟细胞技术进一步发展，还能够因人而异地改变具体的药物，适应各个不同病人的个体需求，使得治疗的过程更加有效。医生已经发现，同样的两个得了某种严重疾病的病人，譬如肺癌，在使用同一种药物以后，结果可能并不完全一样：一个人的肿瘤迅速缩小，另外一个人却没有效果效果不同的结果呢。为什么？

因为两个人虽然得的是同一种癌症，但是他们的基因、蛋白质、免疫系统以及癌细胞内部的分子环境并不完全相同。出现一种更加大胆科学家和医生因此提出了更合理的改进，那就是通过先进的人工智能，这两个癌症病人各自的肿瘤细胞和相关的分子数据，输入到人工智能软体当中，由人工智能去进行虚拟的分析：

第一种药怎么样？

第二种怎么样？

两种联合使用怎么样？

剂量改变以后又怎么样？

AI可以首先在数字世界中进行大量筛选，然后医生再选择最有希望的方案进行真正治疗。

到了那个阶段，医学可能从今天的：

“什么药最适合这种疾病？”

进一步发展成为：

“什么药最适合这个病人？”

当然，这还是一个远景。目前的“虚拟细胞”远远没有达到可以完整复制一个真实人体细胞、更没有达到为每个病人建立可靠数字替身的程度。真正的人体还涉及器官、免疫系统、代谢和无数细胞之间的复杂相互作用，因此不能把今天的研究说成已经能够在电脑里治愈癌症。

但是方向已经出现了。

（以上内容根据Biohub 10月7日官方公告⁠和 路透社：18亿美元虚拟生物学计划报道⁠和个人的理解，如果不完整或者有错，欢迎批评）