舒暢世界觀察：18億美元打造“虛擬細胞”——AI開始破解生命的秘密

人工智能發展到今天，又跨出了非常重要的一步。

10月7日，美國非營利科研機構Biohub宣布擴大一項名為“Virtual Biology Initiative”（虛擬生物學計劃）的重大科研項目。參加者不僅包括Biohub，還包括美國能源部、美國國立衛生研究院（NIH），以及Google DeepMind、Isomorphic Labs、Meta等人工智能和生物技術領域的重要力量。

整個計劃涉及的資金、已有數據、計算資源和新型測量技術，總規模達到約18億美元。

其中，扎克伯格和妻子Priscilla Chan支持的Biohub此前已經承諾投入5億美元；美國能源部將在未來五年投入超過5億美元；NIH將協調利用過去超過5億美元聯邦投資形成的數據集和知識資源；Google DeepMind、Isomorphic Labs和Meta則共同投入3億美元。因此總共有18億美元的資金。但是18億美元並不是現金一次性投入，而是一個包括資金、數據、超級計算能力和實驗技術在內的大規模聯合計劃。

它的最終目標非常大膽：建立能夠預測真實細胞行為的“虛擬細胞”。

什麼叫“虛擬細胞”？

我們身體裡有幾十萬億個細胞。癌症、阿爾茨海默病、帕金森病以及大量疑難疾病，最終都與細胞內部或者細胞之間的異常變化有關。現代生物學已經揭示到細胞內部的結構，而且從微觀上看，發現存在着對一個非常困難的問題：任何一個人體細胞本身就是一個極其複雜的系統，其複雜性就猶如我們昨天和各位分享過的宇宙的結構一樣，而且這種微觀世界可能更為複雜！過去多年來，有關方面的科學家希望能夠對分子的基因進行觀察和改變，並且加入新的物質（也就是藥物），通過這種方式來達到某種特定效果，比如研發新藥等等。

但是這種實驗非常困難，非常難做，他的一個輪迴的過程包括了培養細胞，加入藥物，改變基因，然後觀察結果。失敗了，再做一次。一個藥物從最初發現到最後真正進入市場，常常需要十年以上時間，而且絕大多數候選藥物最後都會失敗。

所謂“虛擬細胞”，就是希望利用海量的真實生物學實驗數據訓練人工智能，讓AI逐漸學會細胞內部運行的規律，最終建立一個能夠預測細胞行為的數字模型。

到了那個時候，研究人員可以先在電腦裡面問：

如果關閉這個基因，會怎麼樣？

如果加入這種藥物，會怎麼樣？

如果同時使用兩種藥物，會不會殺死癌細胞，同時儘可能不傷害正常細胞？

人工智能首先在“虛擬細胞”中進行成千上萬甚至更多次模擬，然後從中挑選最有希望的方案，再進入真正的實驗室驗證。

這有點像飛機製造中的飛行模擬器。

過去設計一種新飛機，需要進行大量昂貴而危險的實際測試；今天很多實驗首先在計算機中完成。未來的生物醫學，也可能發生類似變化。

人工智能為什麼突然能夠進入生物學？

這裡有一個非常有意思的問題。

ChatGPT這樣的人工智能為什麼進步這麼快？

一個重要原因，是互聯網已經為人工智能準備好了海量的文字、圖像和其他數據。AI通過這些數據逐漸學會了人類語言背後的規律。

但是生物學目前卻仍然沒有這樣一個現成的“互聯網”。Biohub科學負責人Alex Rives說得非常形象：我們需要捕捉“生物學的語言”，捕捉“細胞的語言”。現在全世界已有的細胞數據總量是很大：大約是數億個細胞的量級，但是要訓練真正具有強大預測能力的生物學AI模型，可能需要幾十億，未來甚至達到萬億級別的細胞數據。

因此，這次18億美元計劃最重要的工作，並不是馬上製造一種治療癌症的新藥，而是首先建立人工智能真正能夠理解生命所需要的“教材”。

這可能是未來醫學的一項基礎工程。

加入人工智能帶動一場革命：新藥開發可能大大加快

科學家提出了虛擬細胞的概念。這樣一來的話，為了開發一種新藥，就不再需要從實驗室篩選大量化合物，然後經過細胞實驗、動物實驗，再進入漫長的人體臨床試驗。整個昂貴，而且失敗率極高的過程。

科學家可以首先讓AI模擬幾萬、幾十萬甚至更多種藥物和細胞之間的相互作用，把大量明顯沒有效果或者副作用太大的方案提前淘汰掉，只讓最有希望的候選藥物進入真正的實驗室和臨床試驗。

也就是說，大量失敗可能首先發生在電腦裡面，而不是發生在實驗室和病人身上。

如果能夠做到這一點，新藥研發的時間和成本都可能顯著下降。

第二場革命：未來可能從“治療一種病”走向“治療一個人”

未來如果虛擬細胞技術進一步發展，還能夠因人而異地改變具體的藥物，適應各個不同病人的個體需求，使得治療的過程更加有效。醫生已經發現，同樣的兩個得了某種嚴重疾病的病人，譬如肺癌，在使用同一種藥物以後，結果可能並不完全一樣：一個人的腫瘤迅速縮小，另外一個人卻沒有效果效果不同的結果呢。為什麼？

因為兩個人雖然得的是同一種癌症，但是他們的基因、蛋白質、免疫系統以及癌細胞內部的分子環境並不完全相同。出現一種更加大膽科學家和醫生因此提出了更合理的改進，那就是通過先進的人工智能，這兩個癌症病人各自的腫瘤細胞和相關的分子數據，輸入到人工智能軟體當中，由人工智能去進行虛擬的分析：

第一種藥怎麼樣？

第二種怎麼樣？

兩種聯合使用怎麼樣？

劑量改變以後又怎麼樣？

AI可以首先在數字世界中進行大量篩選，然後醫生再選擇最有希望的方案進行真正治療。

到了那個階段，醫學可能從今天的：

“什麼藥最適合這種疾病？”

進一步發展成為：

“什麼藥最適合這個病人？”

當然，這還是一個遠景。目前的“虛擬細胞”遠遠沒有達到可以完整複製一個真實人體細胞、更沒有達到為每個病人建立可靠數字替身的程度。真正的人體還涉及器官、免疫系統、代謝和無數細胞之間的複雜相互作用，因此不能把今天的研究說成已經能夠在電腦里治癒癌症。

但是方向已經出現了。

（以上內容根據Biohub 10月7日官方公告⁠和 路透社：18億美元虛擬生物學計劃報道⁠和個人的理解，如果不完整或者有錯，歡迎批評）