**虚拟细胞挑战赛：AI建模生命的里程碑** **——从数据基础到模型闭环的突破** --- ### **1. 背景与目标** Arc Institute发起的**虚拟细胞挑战赛**（Virtual Cell Challenge）旨在通过人工智能（AI）建模生命系统的最小单元——细胞，推动从“静态虚拟细胞”向“动态虚拟细胞”转型。其核心目标是通过大规模数据与算法的结合，揭示细胞对扰动的响应机制，最终实现对生命系统因果关系的解析，即“**虚拟细胞的图灵测试**”。 --- ### **2. 数据基础：多模态与大规模** 虚拟细胞研究依赖于**多模态、高通量数据**，涵盖以下关键资源： - **单细胞转录组数据**：如Arc的**Hsu数据集**、CZI的**十亿细胞计划**、Tabula Sapiens项目等，为细胞功能和基因调控提供基础。 - **多模态干预数据**： - **Perturb-seq**：通过CRISPR干扰技术，分析基因组合对细胞状态的影响（如CMap、Replogle等研究）。 - **Perturb-CITE-seq**：结合转录组与蛋白质组数据，揭示扰动下的动态变化。 - **Perturb-ATAC-seq**：研究染色质可及性变化对基因表达的调控。 - **高内涵成像数据**：如Recursion Pharmaceuticals的60PB多模态数据集，支持细胞表型的高通量分析。 - **合成数据与基准**：如**Tahoe-100M**药物扰动数据集，为模型训练与评测提供标准化资源。 --- ### **3. 模型进展：从预测到因果解析** - **STATE模型**：Arc Institute开发的**基于Transformer架构**的模型，通过大规模数据训练，实现对细胞扰动响应的精准预测，成为挑战赛的核心工具。 - **闭环系统**： - **模型驱动实验**：AI模型指导实验设计，优化扰动条件（如组合扰动、时间序列分析）。 - **实验反哺模型**：实验数据反馈至模型迭代，形成“**数据-模型-实验**”的闭环，推动精准预测与因果机制解析。 - **挑战赛评测框架**：如**CASP**（Critical Assessment of PRediction of Structure）等基准，为模型性能提供客观评价标准。 --- ### **4. 关键技术突破** - **组合扰动分析**：Arc计划拓展至**基因组合、药物联用**等复杂扰动场景，模拟真实生物系统的动态演变。 - **动态轨迹建模**：通过时间序列数据，捕捉细胞状态的动态变化，从“静态快照”转向“动态过程”建模。 - **多模态整合**：未来将融合转录组、蛋白组、成像等数据，提升模型的机制解释能力。 --- ### **5. 未来方向：图灵测试与生命跃迁** - **虚拟细胞图灵测试**：通过反事实实验（如“如果再给细胞一道闪电”），验证模型是否能揭示基因调控网络的因果关系。 - **模式生物先行**：酵母菌等模式生物因具备多模态数据、明确生物学框架和快速实验手段，成为实现“虚拟细胞图灵测试”的理想平台。 - **AI与生命科学的融合**：从“模仿游戏”到“虚拟细胞的图灵测试”，AI将重新诠释生命系统的本质，推动**人工生命（ALife）**的实现。 --- ### **6. 结语：虚拟细胞的未来** 虚拟细胞挑战赛不仅是AI建模的里程碑，更是生命科学与计算科学融合的典范。通过数据、模型与实验的闭环创新，人类正逐步揭开生命的奥秘，为疾病治疗、生物工程等领域开辟新路径。Arc挑战赛的持续推进，将成为这场“攀登之旅”的新基石。 **参考资料**： - Arc Institute、CZI、Recursion、Tahoe Therapeutics等机构的多模态数据集。 - Perturb-seq、CMap、Sci-Plex等经典研究。 - STATE模型、闭合循环系统等前沿技术。