《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能技術(shù)與生物技術(shù)共同繪就生命“藏寶圖”,對你我意味著什么,?

2021-07-01
來源:腦極體

  智能技術(shù)與生物技術(shù),正在碰撞中萌生出激情的火花,。

  2020年,,全球人民都在盼星星盼月亮,盼著早日出現(xiàn)一支好疫苗,。在這個過程中,,AI前所未有地參與到基因測序、疫苗研發(fā),、生物醫(yī)藥等活動中來,。而從英國變異病毒,到印度,、南非等國出現(xiàn)變異毒株愈發(fā)嚴(yán)重,,越來越多的人開始意識到,疫苗研發(fā)速度如果跟不上病毒變異的腳步,,全球防疫成果會直接受影響,。以此為契機(jī),支撐高效研發(fā)的生物計算,,也就各國重點關(guān)注并投入的科技賽道之一,。

  AI對生物科學(xué)的影響,,也獲得了學(xué)界的普遍認(rèn)可與應(yīng)用。在 “首屆中國生物計算大會” 上,,著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家施一公就從生命科學(xué)的角度,,提出計算決定未來。

  那么,,到底什么是生物計算,,為什么說它會對國計民生至關(guān)重要?中國的生物計算發(fā)展究竟如何,,未來又需要哪些產(chǎn)業(yè)要素,?

  一首智能計算與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)協(xié)奏曲,已經(jīng)在神州大地奏響,,今天我們就化身一群最先“聞弦歌而知雅意”的人,。

  邂逅的偶然與必然:AI給生物計算帶來了什么?

  簡單來說,,生物計算指的是以生物大分子作為“數(shù)據(jù)”的計算模型,。智能計算與生物技術(shù)的邂逅,似乎是疫情推動下的偶然事件,,但如果我們將目光放得更長遠(yuǎn),,從生物研發(fā)的歷史進(jìn)程出發(fā),會發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)合其實是一場必然,。

  有一個少有人知道的故事是,,25年前,當(dāng)時還在華爾街做程序員的李彥宏,,就對生物信息倍感興趣,,還收到了默克公司一個Bioinformatics(生物信息學(xué))研究小組的offer。但受限于當(dāng)時的生物數(shù)據(jù)量,、成本,、速度,計算的優(yōu)勢很難發(fā)揮出來,。

  而隨著時間的推移,,基因組學(xué)研究帶來了人體數(shù)據(jù)增長、新藥研發(fā)過程當(dāng)中積累的知識增長,、各類機(jī)器學(xué)習(xí)算法的噴涌,。這三個關(guān)鍵指標(biāo)的變化,決定了當(dāng)今的生物研發(fā)要考慮的不是該不該用AI的問題,,而是用得上,、用得好的問題。

  具體來說,,生物計算能夠在三個領(lǐng)域里面釋放價值:

  1.新藥研發(fā),。

  對于病患來說,,藥物就是生命。但長期以來,,創(chuàng)新藥的研發(fā)普遍存在流程復(fù)雜,、投入產(chǎn)出比低、傳統(tǒng)方法昂貴,、耗時長等問題,。傳統(tǒng)制藥研發(fā)平均周期都要10年左右,在當(dāng)下生命科學(xué)信息指數(shù)級增加的背景下,,更使得藥物研發(fā)的復(fù)雜度不斷攀升,。

  這種情況下,依靠機(jī)器學(xué)習(xí)來識別新穎藥物,、分析藥物結(jié)構(gòu)等,,能夠快速且低成本地完成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、藥物篩選,、分子生成、ADMET預(yù)測等工作,,從而大大提升新藥發(fā)現(xiàn)的效率,,縮短新藥研發(fā)周期,直接降低研究成本,。不僅能夠更快更廣泛地造?;颊呷后w,而且能夠以技術(shù)為引擎,,推動中國醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)加速擁抱創(chuàng)新藥的發(fā)展機(jī)遇,。

  2.疫苗設(shè)計。

  新冠疫苗的研發(fā)讓大家被科普了mRNA疫苗的強(qiáng)大,。由于可在人體自身內(nèi)生產(chǎn)抗原蛋白,,制備速度快、無感染風(fēng)險,,mRNA疫苗也被MIT Technology Review評選為2021年“全球十大突破性技術(shù)”之一,。

  但是,一個蛋白質(zhì)所對應(yīng)的mRNA序列有多種可能,,隨著序列長度的增加,,mRNA序列數(shù)量也會指數(shù)級增長,要設(shè)計出最穩(wěn)定,、蛋白質(zhì)表達(dá)水平最高的mRNA序列并不容易,。其中,AI的加入就至關(guān)重要了,。

  比如百度在疫情期間相繼開源的LinearRNA系列算法,,就利用AI算法和AI算力,,在十?dāng)?shù)分鐘內(nèi)就能夠計算設(shè)計出理論上的mRNA序列,讓緩慢高成本的疫苗設(shè)計流程大大加速,。

  3.精準(zhǔn)醫(yī)療,。

  新興生物技術(shù)帶來越來越細(xì)顆粒度的數(shù)據(jù),也使得精準(zhǔn)藥物設(shè)計,、個性化臨床診療及用藥等成為可能,。試想一下,未來醫(yī)療服務(wù)可以精細(xì)到針對個體開發(fā)出個性化的靶向藥物,,在疾病極早期就能夠進(jìn)行綜合分析診斷和精準(zhǔn)治療,,真正實現(xiàn)“上醫(yī)治未病”的理想,毫無疑問會大大提升人們的健康生活質(zhì)量,。

  而要達(dá)到這一愿景的前提,,或許就要將每個人的基因信息都提取出來,并進(jìn)行分析挖掘處理計算,,從而讓數(shù)據(jù)能夠有效應(yīng)用到診斷當(dāng)中,,提供更適配的藥物選擇和治療方案。在這個過程中,,利用AI算法讀懂?dāng)?shù)據(jù)必不可少,。

  說到這里,大家想必能夠理解,,為什么智能技術(shù)在今天必須與生物技術(shù)相結(jié)合,,共同奏響生物計算的時代奏鳴曲,開啟全人類的健康新篇章,。

  在這個領(lǐng)域當(dāng)中,,我們也看到了一批具有技術(shù)實力和社會責(zé)任感的科技巨頭們,扮演起了扛旗者的角色,。比如谷歌DeepMind團(tuán)隊研發(fā)的 AlphaFold 2算法,,就曾震驚世人;中國AI公司百度,,也在過去幾年里成立了生物實驗室,、推出LinearRNA系列算法等。

  站在生物計算興起的關(guān)鍵節(jié)點,,百度是如何思考與行動的,,無疑是一次深入了解中國生物計算探索的契機(jī)。

  選定基調(diào),,生物計算何以成為百度的新坐標(biāo),?

  在過去一年多的全球抗疫中,百度在生物計算領(lǐng)域交出了值得贊賞的答卷。

  2020年疫情爆發(fā)伊始,,百度研究院就立即宣布向各基因檢測機(jī)構(gòu),、防疫中心及全世界科學(xué)研究中心免費開放線性時間算法 LinearFold。公開數(shù)據(jù)顯示,,LinearFold將當(dāng)時新型冠狀病毒的全基因組二級結(jié)構(gòu)預(yù)測從55分鐘縮短至27秒,,提速120倍。

  隨后數(shù)月里,,百度又連續(xù)與中國疾病預(yù)防控制中心聯(lián)合成立“”中國CDC應(yīng)急技術(shù)中心-百度基因測序工作站“,,后來北京新發(fā)地突發(fā)疫情,CDC工作站僅用10小時完成北京四個樣本的全基因組測序,。

  2020年5月,,百度又率先推出的全球首個 mRNA 疫苗基因序列設(shè)計算法 LinearDesign,大大提升疫苗設(shè)計的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達(dá)水平,,助力疫苗研發(fā),;

  2020年8月,百度研究院正式成立了生物計算實驗室,,期望通過人工智能和計算技術(shù)助力生物醫(yī)療發(fā)展,。

  憑借RNA 結(jié)構(gòu)預(yù)測與序列設(shè)計相關(guān)成果,百度也因此在 2020 年全球人工智能峰會(AISummit)上,,獲得了 AI For Good(AI 向善)獎,。

  經(jīng)此一疫,不僅AI參與基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的重要性進(jìn)一步凸顯,,生物計算也得以進(jìn)入百度業(yè)務(wù)發(fā)展的主基調(diào)。如果說AI技術(shù)是百度在智能時代的殺手锏,,那么生物計算則是助力未來增長的新航道,。

  沒有積累,創(chuàng)新就是無本之木,,更不可能快速展現(xiàn)出從實驗室到現(xiàn)實場景的技術(shù)貫穿力,。這場百度戰(zhàn)疫,就得益于百度在生物計算上的布局由來已久,。

  原來,,早在2018年,百度研究院就開展了 RNA 結(jié)構(gòu)預(yù)測和序列設(shè)計相關(guān)研究,,并在2019年7月發(fā)表了前文中提到的 LinearFold算法,。正是這些前期工作,讓百度可以在疫情爆發(fā)初期就快速響應(yīng),,并在兩個月后就完成了mRNA 疫苗設(shè)計的革命性方法LinearDesign的研發(fā),。

  此外,百度在生物計算上的快速反應(yīng),也離不開飛槳和百度智能云在AI基礎(chǔ)設(shè)施上的積累與領(lǐng)先,。

  過去幾年里,,百度在底層計算硬件、深度學(xué)習(xí)框架,、應(yīng)用創(chuàng)新開發(fā)等領(lǐng)域都進(jìn)行了全面部署與創(chuàng)新,,其打造的 AI基礎(chǔ)設(shè)施也得以成為百度助力產(chǎn)業(yè)智能化升級的底座。有了這些基礎(chǔ),,才使得百度率先成為智能技術(shù)與生物技術(shù)相融合的橋梁,。

  疫情讓全社會意識到了生物計算的重要性。接下來,,吸引更多醫(yī)藥研發(fā)人員與開發(fā)者投入,,才能真正推動產(chǎn)業(yè)共榮、造福社會,。顯然,,百度也認(rèn)可這一趨勢,所以在2020年12月的Wave Summit深度學(xué)習(xí)開發(fā)者峰會上,,正式發(fā)布了PaddleHelix螺旋槳生物計算平臺,,在生物計算領(lǐng)域中向前一步。

  螺旋槳的蹄鳴:奏一支生物計算的交響

  歷史上有許多看似平常的一天,,卻發(fā)生了意義非凡的事件,。比如1953年2月28日,沃森與克里克在一個酒吧里宣布,,他們發(fā)現(xiàn)了生命的奧秘——DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu),。

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  對于生物計算產(chǎn)業(yè)來說,百度生物計算平臺螺旋槳PaddleHelix的誕生,,同樣是開創(chuàng)性的標(biāo)志事件,。它意味著有三個方面發(fā)生了變化:

  首先,是研發(fā)模式發(fā)生變化,。區(qū)別于傳統(tǒng)的試管加電鏡式的研發(fā)模式,,基于百度?槳深度性能優(yōu)化和百度智能云的算力支撐,,數(shù)據(jù)和算力不再成為生物醫(yī)藥研發(fā)等的制約因素,,開始能夠被AI有效地發(fā)揮作用。

  舉個例子,,傳統(tǒng)藥物研發(fā)中,,需要合成大量的候選化合物來進(jìn)行活性篩選,周期長且成功率低,。而借助AI進(jìn)行虛擬篩選,,可以提前預(yù)測化學(xué)物的性質(zhì),從而加速研發(fā)流程。比如螺旋槳PaddleHelix 1.0新增的化合物預(yù)訓(xùn)練模型 ChemRL,,就使用深度圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GNN來設(shè)計自監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)化合物分子表示,,效果出色。在國際權(quán)威榜單Open Graph Benchmark圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn) (OGB)上HIV和PCBA兩大數(shù)據(jù)集上,,ChemRL拿下了雙冠軍,。

  其次,研發(fā)門檻前所未有地降低,。

  在醫(yī)藥領(lǐng)域,,有標(biāo)注的數(shù)據(jù)卻十分稀少,這就讓高質(zhì)量的深度學(xué)習(xí)算法模型遭遇了瓶頸,。百度螺旋槳PaddleHelix的創(chuàng)新在于,,基于自身在NLP等AI相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗,提出了生物醫(yī)藥領(lǐng)域的預(yù)訓(xùn)練模型,。先通過海量無標(biāo)注數(shù)據(jù)的自監(jiān)督學(xué)習(xí),,訓(xùn)練出一個預(yù)訓(xùn)練模型,相當(dāng)于讓AI先學(xué)好通識課程,;再根據(jù)多任務(wù)學(xué)習(xí),,對預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行微調(diào),能夠?qū)崿F(xiàn)”專業(yè)能力“的快速提升,,即便是在有限高質(zhì)量數(shù)據(jù)的情況下,,也能保證模型效果,從而極大地擴(kuò)展了AI應(yīng)用于生物研發(fā)的場景,,更好地輔助研究人員的工作,。

  另外,綜合性研發(fā)人才的短缺狀況得到緩解,。

  同時擁有AI算法設(shè)計能力與藥物研發(fā)臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)背景的復(fù)合型人才,,在今天是絕對的稀缺資源。人才培養(yǎng)無法一蹴而就,,當(dāng)下的研發(fā)進(jìn)程也不容落后,,這其中,,螺旋槳PaddleHelix就延續(xù)了飛槳開源開放,、零門檻AI的理念,將一系列生物計算的預(yù)訓(xùn)練模型與工具,,包括RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測,、大規(guī)模的分子預(yù)訓(xùn)練、藥物-靶點相互作用,、以及ADMET成藥性預(yù)測等,,覆蓋新藥研發(fā)和疫苗設(shè)計環(huán)節(jié)的核心能力。這些模型通過API接口,產(chǎn)業(yè)側(cè)研究人員只需要幾行簡單的代碼就能輕松調(diào)用,,快速搭建計算任務(wù),,從而大大緩解了生物計算的”人才焦渴癥“。

  不難看到,,螺旋槳PaddleHelix融合了百度多年在 AI 算力,、算法上的積累,通過一整套工具,、設(shè)施和服務(wù),,讓更多醫(yī)療工作者和生物科研人員也能夠靈活方便地應(yīng)用AI,在藥物研發(fā),、疫苗設(shè)計和精準(zhǔn)醫(yī)療等場景中釋放AI技術(shù)潛力,。

  接下來,百度還將前往更大的產(chǎn)業(yè)舞臺去釋放生物計算的潛能,。

  激昂樂章:百度的下一次大考

  從技術(shù)成熟走向普適的行業(yè)生長,,需要更大舞臺、更多生態(tài)合作伙伴的協(xié)作,。一條完整良性的生物科技產(chǎn)業(yè)鏈,,才能源源不斷地激發(fā)出創(chuàng)新力。

  在這一點上,,可以再一次看到百度的技術(shù)長期主義,。與昔日成立研究院投身前瞻AI領(lǐng)域一樣,百度也在不斷加碼生物計算的投入與布局,。

  尤其是在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的支持上,,”百圖生科“(英文名稱”BioMap“)正式成立,一方面為生命科學(xué)企業(yè)和科研用戶提供工具和解決方案,,深度參與或主導(dǎo)發(fā)起新型精準(zhǔn)藥物和精準(zhǔn)診斷產(chǎn)品的研發(fā),,探索前沿生命科學(xué)的”無人區(qū)“。

  另一方面,,則聚焦于孵化中國的生物計算產(chǎn)業(yè)生態(tài),。與提供新的數(shù)據(jù)軸和新的數(shù)據(jù)分析、藥物設(shè)計工具的初創(chuàng)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)攜手,,構(gòu)建開放的生物計算創(chuàng)新生態(tài),。前不久,百圖生科宣布,,將提供自身研發(fā)的核心生物計算引擎,、海量自有數(shù)據(jù)、10億元的資金補(bǔ)貼,,與聯(lián)盟伙伴共同打造國際領(lǐng)先的”免疫圖譜“,。通過凝聚計算產(chǎn)業(yè),、AI領(lǐng)域、生物行業(yè)等不同領(lǐng)域的力量,,共同為人類的終極健康福祉打造一艘未來方舟,。

  無論人工智能還是生物計算,百度能夠在每一次國家戰(zhàn)略級科技競速中搶占先機(jī),,這件事聽起來難,,做起來更難,可以總結(jié)為幾個原因:

  一是耐得苦寒的技術(shù)信仰,。生物計算和AI一樣,,需要長時間投入來形成技術(shù)優(yōu)勢積累,而百度在研發(fā)領(lǐng)域的投入有目共睹,。李彥宏曾表示,,”在生命健康這個最關(guān)鍵的領(lǐng)域,哪怕投入再大,、風(fēng)險再高,、周期再長,我們也要堅決地做,。生命科學(xué)沒有盡頭,,只有盡力“,百度在生物計算上持續(xù)投入的決心由此可見,。

  二是尊重技術(shù)的落地節(jié)奏,。和很多人幻想中”AI一出大殺四方“的途徑不同,技術(shù)落地也需要與產(chǎn)業(yè)需求,、業(yè)務(wù)場景深入結(jié)合,,百度在智能化進(jìn)程中服務(wù)行業(yè)及企業(yè)的經(jīng)驗?zāi)軌蛲苿由镉嬎阊驖u進(jìn)、釋放紅利,。

  三是利他的生態(tài)品牌,。建立生態(tài)必須要贏得合作伙伴的信任,除了強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新能力,,還要有開源開放的平臺價值,、愿意承擔(dān)社會責(zé)任的利他心態(tài),才能吸引中國醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)界來攜手同行,。

  當(dāng)技術(shù),、產(chǎn)業(yè)、生態(tài)等一個個門檻被跨越,,生物計算的前景自然也水到渠成,。生物技術(shù)與智能技術(shù)這支協(xié)奏曲,,也將經(jīng)久不息地綿延下去,。




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