最快16分鐘可優化mRNA疫苗序列穩定性 百度研究院重磅推出Linear...

在全球新冠病毒感染人數累計超過400萬人的今天，疫苗作為抵禦病毒的終極武器，全球科學家都正在加速攻堅。疫苗的快速研發十分迫切。

AI算法能否在生物疫苗研發中起作用？百度研究院重磅推出全球首個mRNA疫苗基因序列設計算法LinearDesign，是專門用於優化mRNA序列設計的高效算法。針對新冠病毒mRNA疫苗，LinearDesign能在16分鐘內大大提升疫苗設計的穩定性和蛋白質表達水平。從而有效解決了mRNA疫苗研發中最重要的穩定性問題，加速疫苗研發速度。

這無疑是令整個業界振奮的消息，為全球疫苗研發提振信心。

從生物學角度看，疫苗的研製有多個方向，如DNA疫苗、mRNA疫苗、蛋白質疫苗等。疫苗的基本原理是通過激活人體免疫細胞，使其能夠識別特定的病毒蛋白質結構，達到免疫效果。相較於傳統的蛋白質疫苗，mRNA疫苗省去了蛋白質疫苗需要體外培育抗原的環節，大大減少了生產周期，研發速度快，成為最有希望的預防工具。

但mRNA疫苗的制約也很明顯，一個突出難題就是由於mRNA本身穩定性不足而容易被分解，在保存、運輸過程中及體內表達時失效。穩定性也成了mRNA疫苗研發麵臨的重大挑戰，是困擾全球科研機關、防疫機構和生物醫學公司的難題。

世界mRNA疫苗研發競賽領頭羊、美國Moderna公司最新論文研究表明，mRNA序列的二級結構越多，其基因序列就越穩定，並且蛋白質翻譯效率越高。因此當下面臨的問題，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（抗原），同時又具有穩定的二級結構的序列。

這個數字是什麼概念？舉個例子，假設有個超級計算機一秒可以計算一個mRNA序列的二級結構，那麼即使從宇宙形成開始算到現在（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。它是應用計算機科學領域經典算法——動態規划算法，來將這一問題的搜索時間從億萬億年降低到分鐘級。在新冠病毒的刺突蛋白序列上的計算機模擬實驗表明，LinearDesign能夠設計出結構最穩定的序列，而且設計時間只需要1個半小時。如果採用線性時間近似算法，所需時間可以進一步縮短到16分鐘， 而與最優解的能量差距（衡量穩定性的指標，能量越低越穩定）只有0.6%。這兩種設計相比於自然界天然存在的新冠病毒刺突蛋白mRNA序列要穩定的多（能量降低了150%）。

研究出LinearDesign算法，百度研究院繼續向全球疫苗研發機構及研究中心等免費開放，並在arXiv發布了相關論文，助力新冠病毒疫苗研發。

LinearDesign算法出爐的背後，還原出一個全球學術界、科技公司、生物疫苗公司共同抗疫的故事。

新算法LinearDesign是基於1月底百度研究院對外開放的線性時間算法LinearFold升級。LinearFold預測RNA二級結構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對外開放後，備受業內關注。RNA設計領域世界知名專家、史丹福大學生物化學系Rhiju Das教授，關注到目前mRNA疫苗研發存在一個巨大挑戰，即mRNA疫苗穩定性問題。針對這一問題Das教授提議一種解決方案：通過人海戰術，用百度一月份公開的LinearFold算法為結構分析引擎， 發起疫苗設計的公開競賽（OpenVaccine Challenge），找到適合生產疫苗的比較穩定的mRNA序列。

百度研究院提出了另外一種更直接的解決方法，即通過算法直接設計出更穩定的mRNA疫苗序列。這個算法提出後，引起了世界頂級RNA生物學專家、美國羅切斯特大學David Mathews教授的興趣，一起參與了這個項目，並且David Mathews教授高度評價這個算法：「LinearDesign是一種算法，它設計了一組結構更穩定的序列，並使用優化的密碼子。此算法高效的運行速度是優化序列設計的關鍵，這些序列可以通過實驗檢驗它們作為疫苗的效果。」

新冠疫苗研發已成為全球性課題，人工智慧技術與生物、醫藥等行業深度融合，從技術角度提供全新的解題方法。LinearDesign算法，正來源於百度與全球生物、醫藥專家的思想碰撞，這也是一次AI與生物行業融合的成功嘗試。除了當下的新冠病毒mRNA疫苗，LinearDesign算法也同樣適用於其他mRNA疫苗的研發。可以預見，該算法將在高效研發疫苗方面發揮極大作用。

百度作為此次AI戰「疫」的排頭兵，持續釋放技術原力，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防控制中心病毒病預防控制所籤署戰略合作協議，聯合設立「中國CDC應急技術中心-百度基因測序工作站」。此外，中國疾病預防控制中心後續還將使用百度LinearDesign算法設計的mRNA疫苗序列進行體外實驗，驗證疫苗的穩定性和蛋白質表達效率。未來，百度將繼續以AI技術助力全球抗疫事業。

聲明：本站轉載此文目的在於傳遞更多信息，並不代表贊同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題，請在30日內與本網聯繫，我們將在第一時間刪除內容,本網站對此聲明具有最終解釋權。