發(fā)布日期：2017-07-25
舊金山灣地區(qū)的初創(chuàng)生物技術(shù)公司Zymergen的實(shí)驗(yàn)室，乍看之下普普通通——實(shí)驗(yàn)室的桌子上整齊的放著試管，架子上是各種化學(xué)藥品。然而環(huán)顧四周，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作人員似乎不太一樣，他們身上發(fā)出一些機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及風(fēng)扇的聲音。沒錯(cuò)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里工作的全是機(jī)器人，這里是Zymergen公司的未來生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
在這里你可以看到機(jī)器人伸出一個(gè)機(jī)械手，抓取一個(gè)上面有數(shù)百個(gè)小孔的塑料板，然后掃描了這個(gè)板上的條形碼。下一步動(dòng)作則是肉眼無法觀察到的，機(jī)器人通過給予這個(gè)塑料板一個(gè)聲波的沖擊，使每個(gè)小孔都能濺出一滴小液珠，這個(gè)液滴迅速地被機(jī)械手獲取，然后送往下一個(gè)儀器進(jìn)行分析。相比起傳統(tǒng)上科研人員使用移液器一個(gè)孔一個(gè)孔的操作，這個(gè)機(jī)器人1秒鐘可以取500個(gè)樣本。
不過，Zymergen的科學(xué)家會(huì)告訴你，這些一點(diǎn)都不未來。使用機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，通過條形碼來進(jìn)行記錄都已經(jīng)獲得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。而通過聲波取液的技術(shù)，稱之為聲微滴噴射，甚至已經(jīng)存在了數(shù)十年之久。那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)室究竟“未來”在哪里呢？Zymergen的共同創(chuàng)始人Jed Dean博士會(huì)告訴你：“我不知道這些機(jī)器人在做什么實(shí)驗(yàn)。因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)完全是由一個(gè)人工智能程序設(shè)計(jì)的。”
沒錯(cuò)，盡管機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室中有了普遍的應(yīng)用，但是，從提出假說、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、到分析數(shù)據(jù)，這些還都是人類科學(xué)家的工作。對(duì)于Zymergen來說，他們的目標(biāo)就是完全取代人類科學(xué)家們的作用，由人工智能程序完成這些工作。最近一段時(shí)間以來在機(jī)器學(xué)習(xí)方面的發(fā)展，使得機(jī)器人有望完全勝任這些工作。
Zymergen公司的實(shí)際業(yè)務(wù)是想提高可以生產(chǎn)重要工業(yè)原料的微生物的產(chǎn)量，這些原料可以用于生物燃油、塑料、制藥等許多領(lǐng)域。通過改造這些微生物的基因組，Zymergen想要找到大量提高產(chǎn)量的方法。
不過，這些工業(yè)微生物已經(jīng)經(jīng)過多年的選擇和優(yōu)化，要想更進(jìn)一步的提高產(chǎn)量，需要對(duì)其基因組進(jìn)行非常深入的研究，并且根據(jù)初步數(shù)據(jù)再做下一步研究。這即使對(duì)于非常優(yōu)秀的科學(xué)家來說也是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情。Zymergen首席執(zhí)行官Joshua Hoffman的估計(jì)是一個(gè)科學(xué)家一個(gè)月大約可以完成10項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。通過傳統(tǒng)機(jī)器人的幫助，這個(gè)數(shù)字可以提高到每周1000項(xiàng)，不過前提是需要給機(jī)器人提供正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和指令，這往往是一個(gè)瓶頸。
對(duì)于一個(gè)有5000個(gè)不同基因的微生物來說，如果每個(gè)基因可以有10個(gè)變種，那么至少有50000個(gè)不同的微生物需要測(cè)試。你可以從中找出可以提高產(chǎn)量的幾十個(gè)，接下來還要對(duì)這些不同的單個(gè)基因變種的組合進(jìn)行測(cè)試。即使每周能夠測(cè)試1000種，這仍然是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。此外，光測(cè)試產(chǎn)量是不夠的，微生物本身的生長(zhǎng)能力也需要密切關(guān)注。而這就是機(jī)器學(xué)習(xí)能夠發(fā)揮作用的地方，通過上一步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠設(shè)計(jì)出下一步需要進(jìn)行試驗(yàn)的假說。
Hoffman先生表示，目前為止，Zymergen能夠提升一些微生物產(chǎn)量的10%。這看上去是一個(gè)小數(shù)字，但是對(duì)于年產(chǎn)值1600億美元的化學(xué)工業(yè)來說，10%的提升可能意味著數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)效益。
不過，人工智能能夠找到提升產(chǎn)量的方法，但是卻不知道其背后的生物學(xué)機(jī)制。Dean博士卻認(rèn)為，這其實(shí)是人工智能的優(yōu)勢(shì)之一。因?yàn)閭鹘y(tǒng)科學(xué)方法只會(huì)從已知的與生產(chǎn)特定產(chǎn)品相關(guān)的基因入手，這其實(shí)有很大的局限性。Zymergen的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多人工智能發(fā)現(xiàn)的能夠提高產(chǎn)量的基因變化與其化學(xué)合成通路沒有直接的聯(lián)系，其中甚至許多基因的功能是未知的。
科學(xué)的許多環(huán)節(jié)，都可以交由人工智能來完成（圖片來源：《科學(xué)》）
而對(duì)于生物學(xué)家來說，這些發(fā)現(xiàn)又是令人激動(dòng)的。因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^提高產(chǎn)量這一結(jié)果出發(fā)，進(jìn)行反向推理，這有望揭開更多不為人所知的基因的功能。還有一種更終極的可能，那就是有一天人工智能程序能夠自己去尋找這背后的機(jī)制。到那時(shí)，恐怕人類科學(xué)家真的沒有用武之地了。
參考資料
[1] A new breed of scientist, with brains of silicon
[2] Zymergen官方網(wǎng)站
來源：康健新視野（微信號(hào) HealthHorizon）
