登顶Nature 正刊!百度生物计算用AI首次实现mRNA领域重大进展

AI1年前 (2023)发布 aixure
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导读:1985年11月21日的《自然》封面,是一张来自中国的地图。这张地图是清代总兵陈伦炯所编撰《海国闻见录》中的插图,是中国人开始认知与探索世界的见证,而选用这张封面,是为了配合当期的特别文章《科技在中国》。 那时候,中国正处在改革开放的浪潮中,中国科…

1985年11月21日的《自然》封面,是一张来自中国的“地图”。这张地图是清代总兵陈伦炯所编撰《海国闻见录》中的插图,是中国人开始认知与探索世界的见证,而选用这张封面,是为了配合当期的特别文章《科技在中国》。

那时候,中国正处在改革开放的浪潮中,中国科技登陆国际视野还显得惊奇与稚嫩。

一转眼,38年过去,伴随着中国科技的飞速发展,越来越多的中国科研工作者、科研机构以第一作者的身份,登上被称作科学金字塔尖的《自然》。

5月2日,《自然》杂志正刊发表了百度在生物计算领域的突破性研究成果,并以“加速预览”(Accelerated Article Preview)形式最快发表。

在这篇题目为《Algorithm for Optimized mRNA Design Improves Stability and Immunogenicity》的文章中,提出了mRNA序列优化算法LinearDesign。其不仅开创了AI与生物、医疗等领域融合突破的诸多可能性,也为中国科技走向世界画上了新的一笔。

在这篇论文里,我们可以读到远超其成果本身的内容,比如AI的诸多可能性、一家科技企业的科学担当,以及中国科技走向世界的远大胸怀。

“出人意料”的生物计算

相信大家都知道,《自然》只收录那些在基础科学领域具有突破性与重大意义的研究。

或许可以说,百度在生物计算领域的探索,生动讲述了什么叫“永远不要低估AI的可能性”。

这件事要从新冠疫苗讲起,虽然疫情的阴霾已经悄悄过去,但这场疫情让全球看到了疫苗,尤其是mRNA疫苗在公共卫生事业的重要性。

所谓mRNA是一种天然分子,其可以产生靶标蛋白或免疫原,从而激活人体的特定免疫反应,以对抗各种病原体。并且其具有mRNA不带病毒成分、没有感染风险、研发周期短等重要优势,是人类对抗新冠疫情的杀手锏。

但如此重要的领域,在疫苗和药物研发中依旧有一些问题,比如如何才能高效设计出稳定、成药性更好的mRNA序列?

为了解决这个问题,百度基于在AI领域的积累“出人意料”地将AI技术与疫苗研发结合,研发出了登录《自然》杂志的LinearDesign算法。

这一算法运用自然语言处理中网格解析(Lattice Parsing)技术,对mRNA疫苗序列进行优化,从而提升疫苗的稳定性和有效性。

(美国心脏病学家和基因组学家埃里克托普(Eric J. Topol)在推特上分享百度LinearDesign算法)

这里划个重点,LinearDesign算法可以说是用语言学领域的知识去攻克了生物医疗上的难题。两个领域虽然不能说毫不相关,基本也是相隔万里,但是百度对AI技术的探索,却让二者完成了千里姻缘一线牵,LinearDesign算法由此诞生。

2020年5月,面对汹涌而来的疫情,百度研究院推出了全球首个mRNA疫苗基因序列设计算法LinearDesign,并宣布向全球疫苗研发机构及研究中心免费开放。LinearDesign能在16分钟完成新冠病毒的mRNA疫苗序列设计,极大加速新冠疫苗的研发效率。

以新冠病毒的Spike蛋白为例,若采用传统方法寻找一条稳定的mRNA序列,需要查看10632个mRNA序列,堪称天文数字,但用LinearDesign算法,却可以在11分钟之内找到最稳定的候选序列。

2020年12月,百度凭借LinearFold和LinearDesign算法在新冠抗疫中的杰出贡献,荣获国际顶尖人工智能峰会The AI Summit举办的 AIconics奖项的首届“AI For Good(人工智能向善)”奖。

在应用价值之外,LinearDesign算法还展示了AI作为一种底层科学探索工具,在生物与医学领域的全新可能性。这种跨越学科的突破力,是《自然》杂志乃至全球科学界更为珍视的。

打开AI的深度与广度

为什么百度能把LinearDesign算法这种AI+生物计算研究做大做强?这可能是我们必须读懂的另一个关键信息。

其原因无他,千锤百炼而已。从2012年AI方兴未艾,到今天AI火爆全球,这期间百度对AI技术的坚持和探索是始终如一的。这种坚持,渗透到了AI技术的各方各面,包括基础设施研究、算法迭代,以及AI的跨学科融合。其中非常多的领域充满未知与挑战,也不符合传统意义上企业对短期利益的追求。但构建坚实的基础设施,探索前瞻性技术布局,却是一家企业赢得未来的关键。

AI+生物计算,作为AI技术的延展性方向,更能体现出百度“淡化短期利益,着眼长期发展”的技术布局思路。生物计算可以解决蛋白质分析、新药研发等关键问题,其价值巨大,以新药研发为例,这个领域具有一种“3个10”特征,即10年、10亿美元、10万人才能研发出一种有效的新药,而如果用AI作为药物研发引擎,将可以极大程度改变新药研发的范式,带来难以估量的价值。

这条路价值虽大,但充满挑战,在短期内都难以实现商业回报,但百度依旧愿意依托AI技术与基础设施的优势,提前布局这条未来之路。早在2018年,百度就正式启动了计算生物方向的研究。几年过去,百度在这一领域已经构建了基础设施、算法、生态合围而成的立体创新版图,比如刚刚提到的LinearDesign算法、可以极大加快RNA结构预测速度的 LinearFold 算法,一系列创新开始勾勒出百度在生物计算算法层的差异化优势,而基于飞桨生态打造的生物计算平台-螺旋桨PaddleHelix,则开启了AI+生物计算底层开发工具的构建,为产学各界探索生物计算奠定了基矗面向产业生态,百度为产业提供了面向化合物分子、蛋白分子、基因组学信息等领域预训练大模型,将自身的技术优势积极投身到产学研协作当中。就像在AI基础设施层面,百度强调技术、生态与基础设施的并行,在生物计算领域,同样的战略落地方式也推动了百度自身与生物计算行业的积极发展。

企业进行跨学科探索与底层技术创新,强调长线程和重积累,只有构建出完整的技术序列、技术体系,才能在此基础上一鸣惊人。无论是在AI+生物计算领域,还是更为基础的AI技术上,长期主义,始终是百度的王牌。

这样的以重积累换取高效率的逻辑,展现在百度技术创新的方方面面。比如文心一言发布后的1个月内,完成了4次技术迭代,相较最初版本推理效率提升了10倍。这种技术迭代与产业化应用的效率从何而已?其中,飞桨支撑了文心一言从开发训练到推理部署的全流程,并且通过联合优化的方式,大幅提升了大模型的训练与推理。从中就可以看出,底层技术与工具链的长期积累,为新技术的高效率升级奠定了基矗

百度是如此打开AI技术的深度,中国科技也是如此打开走向世界的广度。

大国科技走向世界

1985年11月,《自然》杂志探讨了中国当时在高能物理、空间探索、地震预测等领域的科研水平,向世界展示了一个具有蓬勃科研创新活力的中国。

2008年7月,《自然》借着北京奥运的机会发布了中国特刊,向世界介绍了“中国目前论文发表数量比除了美国以外的其他国家都要多”,确定了中国科研实力的地位与价值。

几十年来,《自然》里的“中国元素”,可谓与中国科技发展完美同频,比如在1997年时《自然》发表的原创科研论文中只有0.4%涉及中国作者,2017年已增至约15%。这个数字的变化,恰好佐证了中国科技走向全球的变迁。

在这个过程中,一个角色是不可或缺的,那就是科技企业在整体科研环境中扮演的角色。自信息革命以来,我们可以在欧美发达国家的科技版图中,看到很多重大创新都是由企业来完成。以AI+生物计算为例,DeepMind打造的AlphaFold2广受关注。而谷歌母公司Alphabet,已经在持续推动这一算法在医疗健康、新药研发等领域落地,打造了ChatGPT的OpenAI,也在AI疾病诊疗、AI蛋白质结构预测等领域进行着探索。

从世界范围内的趋势来看,AI+生物计算这一重要领域,主要创新阵地应该在科技企业,并且需要以科技企业为核心,形成产学研互动的良性生态。而百度在生物计算领域的布局与进取态势,则在中国科技版图中补完了这一环节。

中国科技走向全球,走向科技自立自强,离不开企业科研能力的不断升级。从这个角度看,百度生物计算以第一完成单位身份在《自然》发表论文,可以看作一个新阶段的信号。1985年,是世界看到中国科技;2008年,中国综合科研能力跻身世界前列;今天,中国的科学家、学术机构、科技企业,都能作为第一作者登上《自然》,证明中国已经具备了多元化,立体化的科技能力。

中国科技的创新性和独特性,已经从学术界延伸到产业界,更具有世界眼光,更具有大国担当。

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