算法担当病毒画家,推演描绘病毒全貌,助力疫苗研发

发布时间 :2023年12月08日

  你是否从小就害怕打针和吃药?当人类面临健康问题的时候,各种药物就成了人类健康路上的保护神甚至是救命神。

  除了吃药和打针,疫苗也是预防疾病、增强抵抗力的一大法宝。实际上,疫苗的本质说白了就是用病毒去对付病毒。没错,就是传说中的“以毒攻毒”! 

 

  疫苗就像是扮演病毒的“演员”,提前进入人体,刺激身体记住自己的样貌特征,预先产生对付抗原的抗体和记忆细胞,以便在真正的病毒入侵时,能够迅速认出病毒的“长相”并及时消灭。

 

  现代生物学面临的复杂问题之一,就是如何掌握未知的蛋白质结构、解码细胞秘密来攻克疾病,而蛋白质结构则在疫苗研发中起到核心作用,比如mRNA(信使核糖核酸)疫苗。但由于病毒特别复杂神秘,每种病毒细菌的蛋白质结构都变化多端,内部结构信息经常缺失,在实验中刻画出病毒的样貌细节非常困难,等于要从零开始,耗费大量的时间和精力资源,而且准确性难以预测。

 

  如果借助算法的力量,相当于请了“神笔马良”,迅速推演描绘出病毒全貌,大大缩短研发时间,节约医学专家的精力。

  首先,算法能够深度学习成为“病毒画家”,构建疫苗研发模型。

 

  科学家以10万余种已知的蛋白质结构作为训练数据,让算法进行学习,分析蛋白质的结构和遗传序列,构建出一个结构预测模型,也就是“病毒画笔”。然后,再用一些蛋白质结构残缺的数据去进行测试,看看算法模型是否能够正确补全蛋白质结构数据,比如给一些少了“头”、少了“胳膊”的蛋白质样貌,看算法是否能够画出完整的样貌。当正确率非常高的时候,就能成为一名正式的“病毒画家”了。

  其次,算法展开想象的翅膀,推演病毒的样貌特征。

 

  当模型构建完成,算法就可以一展身手,尝试揭开目标病毒的神秘面纱。针对那些缺失了蛋白质结构具体信息的病毒,“算法大脑”可以超高速运转,推演完整的结构信息特征,将病毒缺少的“身体器官”或“服饰风格”一一补全。原本解锁蛋白质结构需要耗费漫长的时间,少则数月,多至数年,有了算法就可以在极短时间内捕捉到病毒的关键特征,为疫苗设计提供重要信息。

  最后,算法“画出”病毒的蛋白质结构,提交“画作”由科学家进一步分析。

 

  当算法模型推演出了病毒的结构细节,比如缺少的“头”“帽子”或者“首饰”等,进入实战现场的算法模型,就可以开启真正的“绘画”之路了。科学家们原本苦恼的实验、分析、设计环节,算法模型可以迅速补充完整,向科学家展示自己的“画作”。

 

  之后,科学家依据算法给出的信息进行疫苗设计,并送到指定机构完成从动物到人体的活性测试的重重考验。如果疫苗“画作”能够逼真“复刻”病毒,为人体带来极好的免疫效果,那么就有了推向市场的宝贵机会。

 

  自新冠肺炎疫情暴发以来,全球人民都在期盼新冠疫苗的出现。算法则为病毒疫苗的药物研发与疫情防控创造了快捷键,使其不断加速。在疫苗研发中,算法不仅能够帮助研究人员了解病毒及其结构,还可以预测病毒的哪些成分会引发免疫,追踪病毒突变情况。期待有一天,算法等人工智能技术能够与科学家携手解决人类遇到的各种棘手的医疗挑战,挽救更多的生命。

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