Google, Meta та NVIDIA оцифрують біотехнології: що відомо про проєкт

Біотехнології поступово переходять із лабораторій у цифрове середовище. Вчені та технологічні компанії працюють над створенням так званих віртуальних клітин — комп’ютерних моделей, здатних відтворювати поведінку живих систем, прогнозувати їхню реакцію на ліки й аналізувати зміни під впливом зовнішніх чинників. Такий підхід може суттєво змінити розробку препаратів, вивчення захворювань і проведення біологічних експериментів.

У масштабну ініціативу вже залучили майже 1,8 мільярда доларів. Серед її учасників — уряд США, Google DeepMind, Meta, Isomorphic Labs, NVIDIA та некомерційний дослідницький інститут Biohub. Партнери планують об’єднати великі масиви біологічних даних, потужні обчислювальні системи й сучасне лабораторне обладнання, щоб створити детальні цифрові двійники клітин.

Google, Meta та уряд США інвестують у віртуальну біологію

Нова програма є розвитком Virtual Biology Initiative, яку започаткував інститут Biohub. Її головна мета — побудувати інфраструктуру, де біологічні процеси можна буде досліджувати не лише за допомогою традиційних експериментів, а й у віртуальному просторі.

Google DeepMind, Meta та фармацевтична компанія Isomorphic Labs сумарно спрямовують на проєкт близько 300 мільйонів доларів. Для технологічних корпорацій ця ініціатива є можливістю застосувати штучний інтелект не тільки до аналізу текстів, зображень чи відео, а й до надзвичайно складних процесів усередині живих організмів.

Найбільшу частину фінансування забезпечує американська держава. Міністерство енергетики США планує надати понад 500 мільйонів доларів протягом п’яти років. Ці кошти спрямують на обчислювальні потужності, біологічне моделювання, проведення вимірювань і роботу з великими наборами даних.

Національні інститути здоров’я США мають координувати вже наявні бази даних і наукові ресурси. Раніше на їхнє створення та розвиток було витрачено понад 500 мільйонів доларів із державного бюджету. Об’єднання цих напрацювань дасть змогу дослідникам працювати зі стандартизованою інформацією, отриманою з різних лабораторій та експериментальних систем.

Сам інститут Biohub ще на початковому етапі виділив приблизно 500 мільйонів доларів. Значну частину фінансування використали для придбання високоточного обладнання, зокрема кріоелектронних томографів і сучасних мікроскопів. Такі прилади допомагають вивчати клітини та їхні компоненти на рівні, який раніше був недоступним для багатьох дослідницьких груп.

До ініціативи також залучають провідні наукові центри, що спеціалізуються на генетиці, клітинній біології, структурі білків і картографуванні людського організму. Очікується, що співпраця між державними установами, університетами, приватними компаніями та медичними лабораторіями прискорить обмін результатами й допоможе уникнути дублювання досліджень.

Як працюватимуть цифрові двійники клітин

Однією з головних проблем сучасної медицини залишається нестача узгоджених і якісних даних про поведінку клітин. На один і той самий препарат різні клітини можуть реагувати по-різному. Крім того, результат залежить від типу тканини, генетичних особливостей організму, стану довкілля та безлічі інших чинників.

Сьогодні вченим часто доводиться перевіряти кожну гіпотезу за допомогою серії лабораторних експериментів. Це потребує значного часу, коштів і біологічного матеріалу. Частина тестів не дає очікуваного результату, а деякі перспективні ідеї складно перевірити через технічні або етичні обмеження.

Віртуальна клітина має стати цифровою моделлю, яка відтворює ключові процеси всередині живої системи. Вона зможе враховувати роботу генів, взаємодію білків, обмін речовин і реакцію на ліки чи інші подразники. Штучний інтелект аналізуватиме результати попередніх досліджень і на цій основі прогнозуватиме, як клітина може змінитися за певних умов.

Йдеться не про створення повної копії людини або організму в комп’ютері. На першому етапі дослідники, найімовірніше, зосередяться на окремих клітинних типах і конкретних біологічних процесах. Поступове поєднання таких моделей може сформувати складніші системи, здатні описувати поведінку тканин і взаємодію між ними.

Проєкт має створити відкриту базу біологічних даних, яку зможуть використовувати наукові групи та розробники медичних технологій. За допомогою цієї платформи нейромережі зможуть моделювати реакцію клітин на нові речовини ще до початку частини лабораторних перевірок.

Такий підхід не скасує реальні експерименти, адже жодна цифрова модель не може повністю відтворити складність живого організму. Проте комп’ютерне моделювання здатне скоротити кількість невдалих тестів і допомогти вченим обирати найперспективніші напрямки для подальшої роботи.

У перспективі цифрова біологія може прискорити пошук способів лікування онкологічних захворювань, рідкісних генетичних порушень, інфекцій і нейродегенеративних хвороб. Крім того, моделі клітин можуть бути корисними для персоналізованої медицини, коли терапію підбиратимуть з урахуванням індивідуальних особливостей конкретного пацієнта.

Суперкомп’ютери NVIDIA та стандарти для науки

Для навчання складних моделей потрібні величезні обсяги обчислень. Саме тому важливу роль у проєкті відіграватиме інфраструктура Міністерства енергетики США. Дослідники отримають доступ до екзафлопсних суперкомп’ютерів, здатних виконувати надзвичайно велику кількість операцій за секунду.

Окрім обчислювальних центрів, у межах ініціативи планують використовувати рентгенівські та нейтронні джерела випромінювання, автоматизовані лабораторії, високоточні мікроскопи й системи для швидкого аналізу біологічних зразків. Це дозволить не лише створювати прогнози, а й постійно перевіряти їх за допомогою нових експериментальних даних.

NVIDIA забезпечить проєкт графічними процесорами, спеціалізованим програмним забезпеченням і технічною експертизою. Її технології використовуватимуть для навчання нейронних мереж, обробки зображень клітин, аналізу молекулярних структур і моделювання складних біологічних процесів. Висока швидкість обчислень особливо важлива під час роботи з тривимірними моделями та великими масивами даних.

Окремим викликом є різноманітність інформації, яку отримують дослідники. Дані можуть надходити з різних приладів, тканин, лабораторій і методів вимірювання. Якщо такі матеріали зберігати у несумісних форматах, їх складно порівнювати та використовувати для навчання штучного інтелекту.

Тому Biohub має розробити єдині стандарти збирання, опису та обміну біологічними даними. Також планується створити спільну точку доступу до інформації, де науковці зможуть знаходити результати досліджень, порівнювати показники та запускати власні моделі.

До єдиної мережі хочуть долучити напрацювання Інституту Аллена, Інституту Брода, проєкту Human Cell Atlas та інших міжнародних наукових центрів. Об’єднання таких ресурсів може сформувати одну з найбільших у світі платформ для вивчення клітин і тканин.

Втім, масштаб проєкту створює і нові ризики. Учасникам доведеться забезпечити конфіденційність медичних даних, прозорість алгоритмів і контроль за якістю інформації. Помилки в початкових наборах даних можуть вплинути на висновки штучного інтелекту, а надмірна впевненість у цифрових прогнозах здатна призвести до хибних наукових або медичних рішень.

Попри це, ініціатива Google, Meta, NVIDIA, Biohub і державних структур США може стати важливим кроком до нової моделі біологічних досліджень. Якщо вченим вдасться поєднати точні вимірювання, потужні суперкомп’ютери та надійні алгоритми, частину експериментів можна буде спочатку проводити у цифровому середовищі. Це потенційно скоротить шлях від наукової гіпотези до ефективного лікування та відкриє нові можливості для сучасної медицини.