在全球新型冠狀病毒感染人數(shù)累計超過400萬人的今天，疫苗作為抵御病毒的終極武器，全球科學(xué)家都正在加速攻堅。疫苗的快速研發(fā)十分迫切。
AI算法能否在生物疫苗研發(fā)中起作用?百度研究院重磅推出全球首個mRNA疫苗基因序列設(shè)計算法LinearDesign，是專門用于優(yōu)化mRNA序列設(shè)計的高效算法。針對新型冠狀病毒mRNA疫苗，LinearDesign能在16分鐘內(nèi)大大提升疫苗設(shè)計的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達(dá)水平。從而有效解決了mRNA疫苗研發(fā)中最重要的穩(wěn)定性問題，加速疫苗研發(fā)速度。
這無疑是令整個業(yè)界振奮的消息，為全球疫苗研發(fā)提振信心。
從生物學(xué)角度看，疫苗的研制有多個方向，如DNA疫苗、mRNA疫苗、蛋白質(zhì)疫苗等。疫苗的基本原理是通過激活人體免疫細(xì)胞，使其能夠識別特定的病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到免疫效果。相較于傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)疫苗，mRNA疫苗省去了蛋白質(zhì)疫苗需要體外培育抗原的環(huán)節(jié)，大大減少了生產(chǎn)周期，研發(fā)速度快，成為最有希望的預(yù)防工具。
但mRNA疫苗的制約也很明顯，一個突出難題就是由于mRNA本身穩(wěn)定性不足而容易被分解，在保存、運輸過程中及體內(nèi)表達(dá)時失效。穩(wěn)定性也成了mRNA疫苗研發(fā)面臨的重大挑戰(zhàn)，是困擾全球科研機關(guān)、防疫機構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)公司的難題。
世界mRNA疫苗研發(fā)競賽領(lǐng)頭羊、美國Moderna公司最新論文研究表明，mRNA序列的二級結(jié)構(gòu)越多，其基因序列就越穩(wěn)定，并且蛋白質(zhì)翻譯效率越高。因此當(dāng)下面臨的問題，是需要在10的632次方個mRNA序列中找到能夠翻譯成特定蛋白質(zhì)(抗原)，同時又具有穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)的序列。
這個數(shù)字是什么概念?舉個例子，假設(shè)有個超級計算機一秒可以計算一個mRNA序列的二級結(jié)構(gòu)，那么即使從宇宙形成開始算到現(xiàn)在(約130-140億年)，可能連所有可能的mRNA序列的億萬分之一都沒算完。
LinearDesign算法解決了這一“世界性”難題。它是應(yīng)用計算機科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典算法——動態(tài)規(guī)劃算法，來將這一問題的搜索時間從億萬億年降低到分鐘級。在新型冠狀病毒的刺突蛋白序列上的計算機模擬實驗表明，LinearDesign能夠設(shè)計出結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的序列，而且設(shè)計時間只需要1個半小時。如果采用線性時間近似算法，所需時間可以進(jìn)一步縮短到16分鐘，而與最優(yōu)解的能量差距(衡量穩(wěn)定性的指標(biāo)，能量越低越穩(wěn)定)只有0.6%。這兩種設(shè)計相比于自然界天然存在的新型冠狀病毒刺突蛋白mRNA序列要穩(wěn)定的多(能量降低了150%)。
研究出LinearDesign算法，百度研究院繼續(xù)向全球疫苗研發(fā)機構(gòu)及研究中心等免費開放，并在arXiv發(fā)布了相關(guān)論文，助力新型冠狀病毒疫苗研發(fā)。
LinearDesign算法出爐的背后，還原出一個全球?qū)W術(shù)界、科技公司、生物疫苗公司共同抗疫的故事。
新算法LinearDesign是基于1月底百度研究院對外開放的線性時間算法LinearFold升級。LinearFold預(yù)測RNA二級結(jié)構(gòu)的速度堪稱全球最快，整個分析時間能夠從55分鐘縮短至27秒，提速120倍。
LinearFold對外開放后，備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。RNA設(shè)計領(lǐng)域世界知名專家、斯坦福大學(xué)生物化學(xué)系Rhiju Das教授，關(guān)注到目前mRNA疫苗研發(fā)存在一個巨大挑戰(zhàn)，即mRNA疫苗穩(wěn)定性問題。針對這一問題Das教授提議一種解決方案：通過人海戰(zhàn)術(shù)，用百度一月份公開的LinearFold算法為結(jié)構(gòu)分析引擎，發(fā)起疫苗設(shè)計的公開競賽(OpenVaccine Challenge)，找到適合生產(chǎn)疫苗的比較穩(wěn)定的mRNA序列。
百度研究院提出了另外一種更直接的解決方法，即通過算法直接設(shè)計出更穩(wěn)定的mRNA疫苗序列。這個算法提出后，引起了世界頂級RNA生物學(xué)專家、美國羅切斯特大學(xué)David Mathews教授的興趣，一起參與了這個項目，并且David Mathews教授高度評價這個算法：“LinearDesign是一種算法，它設(shè)計了一組結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的序列，并使用優(yōu)化的密碼子。此算法高效的運行速度是優(yōu)化序列設(shè)計的關(guān)鍵，這些序列可以通過實驗檢驗它們作為疫苗的效果。”
新冠肺炎疫苗研發(fā)已成為全球性課題，人工智能技術(shù)與生物、醫(yī)藥等行業(yè)深度融合，從技術(shù)角度提供全新的解題方法。LinearDesign算法，正來源于百度與全球生物、醫(yī)藥專家的思想碰撞，這也是一次AI與生物行業(yè)融合的成功嘗試。除了當(dāng)下的新型冠狀病毒mRNA疫苗，LinearDesign算法也同樣適用于其他mRNA疫苗的研發(fā)?？梢灶A(yù)見，該算法將在高效研發(fā)疫苗方面發(fā)揮極大作用。
百度作為此次AI戰(zhàn)“疫”的排頭兵，持續(xù)釋放技術(shù)原力，通過免費開放LinearFold、LinearDesign等算法助力抗疫效率提升。
目前，百度已與中國疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，聯(lián)合設(shè)立“中國CDC應(yīng)急技術(shù)中心-百度基因測序工作站”。此外，中國疾病預(yù)防控制中心后續(xù)還將使用百度LinearDesign算法設(shè)計的mRNA疫苗序列進(jìn)行體外實驗，驗證疫苗的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達(dá)效率。未來，百度將繼續(xù)以AI技術(shù)助力全球抗疫事業(yè)。
