在全球新型冠狀病毒感染人數(shù)累計(jì)超過(guò)400萬(wàn)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(jiān)。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(gè)mRNA疫苗基因序列設(shè)計(jì)算法LinearDesign，是專門(mén)用于優(yōu)化mRNA序列設(shè)計(jì)的高效算法。針對(duì)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(jì)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(wèn)題，加速疫苗研發(fā)速度。

　　這無(wú)疑是令整個(gè)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(gè)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(guò)激活人體免疫細(xì)胞，使其能夠識(shí)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(gè)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(yùn)輸過(guò)程中及體內(nèi)表達(dá)時(shí)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(jī)關(guān)、防疫機(jī)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)公司的難題。

　　世界mRNA疫苗研發(fā)競(jìng)賽領(lǐng)頭羊、美國(guó)Moderna公司最新論文研究表明，mRNA序列的二級(jí)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(wèn)題，是需要在10的632次方個(gè)mRNA序列中找到能夠翻譯成特定蛋白質(zhì)(抗原)，同時(shí)又具有穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)的序列。

　　這個(gè)數(shù)字是什么概念?舉個(gè)例子，假設(shè)有個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)一秒可以計(jì)算一個(gè)mRNA序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)，那么即使從宇宙形成開(kāi)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(wàn)分之一都沒(méi)算完。

　　LinearDesign算法解決了這一“世界性”難題。它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典算法——動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，來(lái)將這一問(wèn)題的搜索時(shí)間從億萬(wàn)億年降低到分鐘級(jí)。在新型冠狀病毒的刺突蛋白序列上的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，LinearDesign能夠設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的序列，而且設(shè)計(jì)時(shí)間只需要1個(gè)半小時(shí)。如果采用線性時(shí)間近似算法，所需時(shí)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(jì)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(jī)構(gòu)及研究中心等免費(fèi)開(kāi)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(gè)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(duì)外開(kāi)放的線性時(shí)間算法LinearFold升級(jí)。LinearFold預(yù)測(cè)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的速度堪稱全球最快，整個(gè)分析時(shí)間能夠從55分鐘縮短至27秒，提速120倍。

　　LinearFold對(duì)外開(kāi)放后，備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。RNA設(shè)計(jì)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(gè)巨大挑戰(zhàn)，即mRNA疫苗穩(wěn)定性問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題Das教授提議一種解決方案：通過(guò)人海戰(zhàn)術(shù)，用百度一月份公開(kāi)的LinearFold算法為結(jié)構(gòu)分析引擎，發(fā)起疫苗設(shè)計(jì)的公開(kāi)競(jìng)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(guò)算法直接設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定的mRNA疫苗序列。這個(gè)算法提出后，引起了世界頂級(jí)RNA生物學(xué)專家、美國(guó)羅切斯特大學(xué)David Mathews教授的興趣，一起參與了這個(gè)項(xiàng)目，并且David Mathews教授高度評(píng)價(jià)這個(gè)算法：“LinearDesign是一種算法，它設(shè)計(jì)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(yùn)行速度是優(yōu)化序列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這些序列可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(lái)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(jiàn)，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(guò)免費(fèi)開(kāi)放LinearFold、LinearDesign等算法助力抗疫效率提升。

　　目前，百度已與中國(guó)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(guó)CDC應(yīng)急技術(shù)中心-百度基因測(cè)序工作站”。此外，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心后續(xù)還將使用百度LinearDesign算法設(shè)計(jì)的mRNA疫苗序列進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證疫苗的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)表達(dá)效率。未來(lái)，百度將繼續(xù)以AI技術(shù)助力全球抗疫事業(yè)。

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