A IA pode construir uma célula virtual? Cientistas correm para modelar a menor unidade da vida

Se Stephen Quake conseguir o que quer, os biólogos do futuro gastarão muito menos tempo manuseando pipetas. “Nosso objetivo”, diz ele, “é criar ferramentas computacionais para que a biologia celular passe de 90% experimental e 10% computacional para o inverso”.

Quake, chefe científico da Iniciativa Chan Zuckerberg (CZI) em Redwood City, Califórnia, está entre os pesquisadores que lideram o projeto de criação de células virtuais. Trata-se de modelos de inteligência artificial (IA) capazes de gerar insights que atualmente levam semanas de experimentos para serem respondidos — como, por exemplo, a resposta das células tumorais a um medicamento específico.

“Será uma ferramenta muito poderosa para entender o que dá errado nas doenças”, diz Quake, que prevê que os cientistas usarão experimentos principalmente para validar previsões feitas por células virtuais.

Os esforços para criar células virtuais ainda estão em andamento, mas a ideia atraiu intenso interesse em laboratórios acadêmicos e industriais em todo o mundo. A CZI, uma organização sem fins lucrativos que desenvolve conjuntos e ferramentas de dados abertos, planeja investir centenas de milhões de dólares na criação de células virtuais na próxima década. O Google DeepMind, em Londres, também tem um projeto de célula virtual, afirmou seu diretor executivo, Demis Hassabis, no início deste ano.

“Esta é uma tarefa gigantesca”, afirma Jan Ellenberg, biólogo molecular do Laboratório Ciência para a Vida, uma organização nacional de pesquisa em Solna, Suécia. Ele colidera o modelo de célula virtual do laboratório, chamado Alpha Cell, que será lançado em 2026. “O que é possível e necessário agora é ter os primeiros projetos pioneiros que mostrem que isso pode, em princípio, funcionar.”

Mas alguns cientistas dizem que a pressa em desenvolver células virtuais — embora seja uma meta importante de longo prazo para a biologia — gera muita expectativa, mas não muitos resultados concretos ou um caminho claro para o sucesso.

“Está sendo usado principalmente como um grito de guerra e um mecanismo de financiamento, e está funcionando”, diz Anshul Kundaje, biólogo computacional da Universidade Stanford, na Califórnia. “Os investidores estão investindo uma quantia enorme de dinheiro nessa área.”

Erros na máquina

Biólogos usam computadores para modelar o comportamento celular há décadas. Em 2012, cientistas criaram o primeiro modelo computacional de uma célula inteira, capturando o funcionamento interno da bactéria Mycoplasma genitalium , que possui apenas 525 genes ¹ .

Mas esses e outros esforços iniciais “frequentemente tentavam realmente construir um modelo mecanicista completo da célula”, diz Silvana Konermann, bióloga computacional do Arc Institute em Palo Alto, Califórnia.

Em contraste, o atual impulso para o desenvolvimento de células virtuais aproveita os avanços da IA, que permitem o desenvolvimento de representações sofisticadas de dados, como texto no caso de grandes modelos de linguagem, quando alimentados com grandes quantidades deles. “Construir modelos que aprendem com dados é revolucionário”, diz Quake.

As primeiras ofertas de células virtuais se concentraram principalmente em um tipo de dado: os de experimentos que sequenciam todas as moléculas de RNA mensageiro em células individuais, resultando em um catálogo de atividade genética e um instantâneo do estado atual da célula.

Esses dados formam a base de “atlas” que mapeiam diferentes tipos de células em humanos e outros organismos, revelando uma diversidade subestimada. Pesquisadores estão agora produzindo conjuntos de dados de “sequenciamento de células individuais” para ajudar a alimentar suas células virtuais. O CZI planeja divulgar dados de sequenciamento de um bilhão de células (expandindo um banco de dados de mais de 100 milhões) e, em fevereiro, a Arc divulgou dados de sequenciamento de 100 milhões de células cancerígenas tratadas com centenas de medicamentos.

Dados de sequenciamento de células individuais são atraentes, diz o biólogo de sistemas Hani Goodarzi do Arc Institute, porque podem ser gerados de forma acessível em uma escala semelhante àquela em que grandes modelos de linguagem começam a ganhar capacidades sofisticadas — na casa das centenas de bilhões de pontos de dados.

Produção de células competitivas

Pesquisadores começaram a desenvolver modelos de IA de célula única usando esses dados. O Arc Institute revelou um modelo esta semana chamado State: seu primeiro modelo de célula virtual. Também lançou uma competição de células virtuais de US$ 175.000, desafiando pesquisadores a usar esses modelos para prever como as células-tronco humanas respondem a alterações genéticas.

Mas outros pesquisadores afirmam que esses modelos ainda não são poderosos ou preditivos o suficiente para tirar conclusões que possam ser aplicadas além dos dados com os quais foram treinados. “Eles falham miseravelmente”, diz Kundaje, apontando os esforços para comparar alguns dos modelos unicelulares com novos conjuntos de dados ^2 , 3 .

Muitos cientistas afirmam que as células virtuais precisarão incorporar outras formas de dados, como imagens de microscópio óptico e eletrônico, que possam mostrar como os diferentes componentes celulares interagem e como as células mudam ao longo do tempo. “Precisamos ir além dos dados de sequenciamento de células individuais”, diz Ellenberg.

Parte do desafio de desenvolver células virtuais é que o conceito tem significados diferentes para pessoas diferentes. “Não acho que exista uma definição clara de célula virtual”, diz Jonah Cool, que lidera o projeto de bilhões de células da CZI.

Isso ficou claro para Tim Mitchison, biólogo celular da Escola Médica de Harvard em Boston, Massachusetts, quando participou de um workshop do CZI para traçar um caminho para a construção de células virtuais, onde, segundo ele, houve pouco consenso entre os participantes. “Estou muito mais otimista quanto às perspectivas”, diz Mitchison. No entanto, ele acredita que modelos de IA genuinamente úteis de tipos celulares individuais, como células do músculo cardíaco ou organoides intestinais, ou funções como regulação gênica, são alcançáveis ​​em um futuro próximo.

Quake admite que sua visão de libertar os biólogos celulares da bancada de laboratório levará algum tempo para se acostumar. Felizmente, há bastante tempo para se adaptar. “Eles não estão prontos”, diz ele. “Mas os modelos também não estão prontos para os biólogos.”

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02011-0

Fonte: Nature