細胞（Cell）作為生命的基本單位，是一個極其復(fù)雜精妙的實體，其特性和行為對物理和計算模型的極限構(gòu)成了挑戰(zhàn)。每個細胞都是一個動態(tài)且具有適應(yīng)性的系統(tǒng)，在其中，復(fù)雜的活動源自無數(shù)的分子間相互作用。為了理解細胞的功能，科學(xué)家們試圖構(gòu)建虛擬細胞（Virtual Cell）模型來模擬、預(yù)測和引導(dǎo)細胞的行為。
如今，在人工智能和組學(xué)領(lǐng)域發(fā)生的令人振奮的科技革命，使得直接從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)構(gòu)建細胞模型成為可能。這些科技革命為一個雄心勃勃的人工智能虛擬細胞（AIVC）愿景提供了前所未有的機遇，AIVC 是一種基于大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多尺度、多模態(tài)模型，能夠表征和模擬分子、細胞和組織在各種狀態(tài)下的行為。
目前，已有多個研究團隊正在競相開發(fā)人工智能（AI）模型，以建模生命的基本單位--細胞，并預(yù)測細胞的行為。
2024 年 12 月 12 日，"陳-扎克伯格倡議"（CZI）的科學(xué)負責(zé)人 Stephen Quake 聯(lián)合 40 多位學(xué)者，在 Cell 期刊發(fā)表了題為：How to build the virtual cell with artificial intelligence: Priorities and opportunities 的展望文章，介紹了利用人工智能（AI）創(chuàng)建虛擬細胞（Virtual Cell）的重點和機遇【1】。
如果 Stephen Quake 如愿以償，未來生物學(xué)家將大大減少在做實驗上花費的時間。他表示，我們的目標(biāo)是開發(fā) AI 虛擬細胞模型，這將成為理解疾病發(fā)病機制的一個非常強大的計算工具，在他的設(shè)想中，虛擬細胞負責(zé)預(yù)測，人類科學(xué)家負責(zé)實驗驗證，從而讓細胞生物學(xué)從"90% 實驗 + 10% 計算"轉(zhuǎn)變?yōu)?90% 計算+10% 實驗"。
創(chuàng)建虛擬細胞的努力，目前尚處于起步階段，但這一愿景已在全球?qū)W術(shù)和工業(yè)實驗室中引起了極大興趣。
AI 虛擬細胞概述
致力于開發(fā)開放數(shù)據(jù)集和工具的非營利組織"陳-扎克伯格倡議"（CZI）計劃在未來十年投入數(shù)億美元用于創(chuàng)建虛擬細胞。開發(fā)出了 AI 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測工具 AlphaFold 的 DeepMind 公司也在推進一個虛擬細胞項目。瑞典國家生命科學(xué)實驗室計劃在 2026 年啟動名為"Alpha Cell"的虛擬細胞模型項目。此外，諾獎得主 David Baker 創(chuàng)立的 Xaira Therapeutics 則在本月發(fā)布了一個涵蓋 8000000 個細胞的迄今最大規(guī)模單細胞擾動測序數(shù)據(jù)集 X-Atlas/Orion，以支持虛擬細胞研究【2】。Arc 研究所則在上周推出了一個虛擬細胞模型--STATE，旨在預(yù)測各種干細胞、癌細胞和免疫細胞對藥物、細胞因子或基因干擾的反應(yīng)【3】。
但也有一些科學(xué)家表示，盡管開發(fā)虛擬細胞是生物學(xué)的一個重要長期目標(biāo)，但目前這一熱潮存在很多炒作成分，卻鮮有具體成果，也缺乏明確的成功路徑。有科學(xué)家直言不諱：虛擬細胞主要被用作口號和融資，而且效果不錯，投資機構(gòu)正在向這一領(lǐng)域投入大量資金。
幾十年來，生物學(xué)家一直致力于利用計算機來模擬細胞行為。2012 年，J. Craig Venter 研究所的科學(xué)家們創(chuàng)建了首個完整細胞的計算模型，模擬了一個僅含 525 個基因的人類病原體--生殖支原體的細胞內(nèi)運作機制【4】。
但這項研究以及其他早期的努力往往試圖真正構(gòu)建一個細胞的完整機械模型。相比之下，當(dāng)前開發(fā)虛擬細胞的努力得益于人工智能（AI）的進步，當(dāng)輸入大量數(shù)據(jù)時，AI 能夠生成復(fù)雜的數(shù)據(jù)表示，例如從大量文本中訓(xùn)練的大型語言模型。建立能從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的模型具有革命性意義。
早期的虛擬細胞主要關(guān)注一種類型的數(shù)據(jù)：來自對單個細胞中所有 mRNA 分子進行測序的實驗數(shù)據(jù)（單細胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)），這相當(dāng)于一份基因活動目錄以及細胞當(dāng)前狀態(tài)的快照。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了"圖譜"的基礎(chǔ)，這些圖譜描繪了人類和其他生物體內(nèi)不同細胞類型的情況，揭示了此前未被充分認識的多樣性。
如今，研究人員如今正在大量生成"單細胞測序"數(shù)據(jù)集，以助力其虛擬細胞的研究。例如，"陳-扎克伯格倡議"（CZI）計劃發(fā)布來自 10 億個細胞的測序數(shù)據(jù)，而在 2 月，Arc 研究所發(fā)布了來自 1 億個經(jīng)數(shù)百種藥物處理的癌細胞的測序數(shù)據(jù)。這些單細胞測序數(shù)據(jù)很有吸引力，因為它能夠以與大語言模型開始獲得復(fù)雜能力時相似的規(guī)模經(jīng)濟實惠地生成--達到數(shù)百億的數(shù)據(jù)點。
目前，研究人員已經(jīng)開始利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)單細胞人工智能模型。就在上周，Arc 研究所公布了其首個虛擬細胞模型--"State"。此外，Arc 該研究所還發(fā)起了一個虛擬細胞挑戰(zhàn)賽，挑戰(zhàn)研究人員利用虛擬細胞模型預(yù)測人類干細胞對基因干擾的反應(yīng)【5】。
不過，其他研究人員表示，這些虛擬細胞模型目前還不夠強大，預(yù)測能力也不足，無法得出適用于其訓(xùn)練數(shù)據(jù)之外的結(jié)論，用新數(shù)據(jù)集對一些虛擬模型進行基準(zhǔn)測試時，它們的表現(xiàn)很糟糕。
此外，還有許多研究人員表示，虛擬細胞需要整合其他形式的數(shù)據(jù)，比如光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡圖像，這些圖像能夠展示細胞的不同組成部分如何相互作用，以及細胞如何隨時間變化。也就是說，我們還需要單細胞測序之外的數(shù)據(jù)。
開發(fā)虛擬細胞所面臨的挑戰(zhàn)還在于，虛擬細胞還沒有被明確定義，究竟是什么是虛擬細胞，當(dāng)前的研究人員一件尚未達成共識。
Stephen Quake 表示，自己設(shè)想的讓細胞生物學(xué)家擺脫實驗室工作臺的愿景還需要一段時間來適應(yīng)，但幸運的是，適應(yīng)的時間還很充裕，生物學(xué)家們還沒準(zhǔn)備好迎接虛擬細胞模型，而模型也還沒有足夠成熟。
論文鏈接：
1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01332-1
2. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.06.11.659105v1
3. https://arcinstitute.org/manuscripts/State
4. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(12)00776-3
5. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00675-0
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