Святой Грааль биологии: как ИИ поможет создать виртуальную клетку

Последние достижения в области искусственного интеллекта и наличие масштабных экспериментальных данных о биологии человека достигли критической массы.

Отметив это, группа исследователей из Стэнфордского университета, компании Genentech и Инициативы Чан-Цукерберга заявляет, что у науки появилась «беспрецедентная возможность» использовать искусственный интеллект (ИИ) для создания первой в мире виртуальной человеческой клетки. Такая клетка сможет представлять и моделировать точное поведение человеческих биомолекул, клеток и, в конечном итоге, тканей и органов.

Моделирование человеческих клеток можно считать святым Граалем биологии, — говорит Эмма Лундберг, доцент кафедры биоинженерии и патологии инженерного и медицинского факультетов Стэнфорда и старший автор новой статьи в журнале Cell, предлагающей совместные глобальные усилия по созданию первой в мире виртуальной клетки с искусственным интеллектом.

ИИ дает возможность учиться непосредственно на данных и выходить за рамки предположений и догадок, открывая эмерджентные свойства сложных биологических систем.

Среди соавторов Лундберг — двое коллег из Стэнфорда, Стивен Квейк, профессор биоинженерии и научный директор Инициативы Чан-Цукерберга, и Юре Лесковец, профессор информатики в Школе инженерии, а также Теофанис Каралецос, руководитель отдела искусственного интеллекта для науки в Инициативе Чан-Цукерберга, и Авив Регев, исполнительный вице-президент по исследованиям в Genentech.

Замечательные перспективы

Такая синтетическая модель клетки позволит глубже понять сложное взаимодействие химических, электрических, механических и других сил и процессов, обеспечивающих работу здоровых клеток человека, а также выявить основные причины заболеваний, которые приводят к дисфункции или гибели клеток.

Что еще более интригующе, виртуальная клетка с искусственным интеллектом позволит ученым проводить эксперименты in silico, а не in vivo- на компьютере, а не на живых клетках и организмах. Такая возможность расширит понимание биологии человека и ускорит поиск новых методов лечения, фармацевтических препаратов и, возможно, лекарств от болезней.

Биологи-онкологи могли бы моделировать, как определенные мутации превращают здоровые клетки в злокачественные.

Микробиологи когда-нибудь смогут предсказывать воздействие вирусов на зараженные клетки и, возможно, даже на организм хозяина. Врачи смогут в один прекрасный день тестировать лечение на «цифровых двойниках» своих пациентов, ускоряя давно обещанный век более быстрой, экономичной и безопасной персонализированной медицины.

Однако, по мнению авторов, чтобы считать виртуальную клетку с искусственным интеллектом успешной, необходимо достичь трех целей. Во-первых, она должна позволить исследователям создавать универсальные представления для разных видов и типов клеток. Она также должна точно предсказывать клеточные функции, поведение и динамику, а также понимать клеточные механизмы. И, наконец, виртуальная клетка с искусственным интеллектом позволит проводить эксперименты на компьютерах для проверки гипотез и направлять сбор данных, чтобы расширить возможности виртуальной клетки со скоростью и стоимостью, значительно меньшими, чем сегодня.

Глобальное сотрудничество

Авторы называют это «трифектом» для науки: ИИ открыл эру инструментов, которые предсказывают, генерируют и позволяют задавать вопросы, и в то же время огромные масштабы необработанных биологических данных, которые потребуются для создания виртуальной клетки, неоспоримы. Для сравнения авторы приводят хранилище данных о секвенировании ДНК, собранных Национальным институтом здоровья под названием Short Read Archive, которое в настоящее время содержит более 14 петабайт данных — в тысячу раз больше, чем набор данных, использованный для обучения ChatGPT.

Создать виртуальную клетку с искусственным интеллектом будет непросто. Для этого потребуется согласованное, глобальное, открытое научное сотрудничество беспрецедентного масштаба в самых разных областях — от генетики и протеомики до медицинской визуализации — и тесное партнерство между глобальными заинтересованными сторонами в академических, промышленных и некоммерческих организациях. В то же время авторы осторожно отмечают, что любая работа по созданию виртуальной клетки ИИ должна проводиться только при условии, что полученные модели будут доступны всему научному сообществу без ограничений.

Это грандиозный проект, сравнимый с проектом генома, требующий сотрудничества между различными дисциплинами, отраслями и странами, и мы понимаем, что полностью функциональные модели могут быть недоступны в течение десятилетия или более, — утверждает Лундберг.

Но с сегодняшними быстро развивающимися возможностями искусственного интеллекта и огромными и растущими массивами данных настало время для объединения науки и начала работы по революционному изменению способов понимания и моделирования биологии.

Ранее ученые пытались создать искусственную живую кожу.

13.12.2024