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在全球新冠病毒感染人数累计超过2000万人的今天，疫苗作为抵御病毒的终极武器，全球科学家都正在加速攻坚疫苗的快速研发十分迫切。
AI 算法能否在生物疫苗研发中起作用？百度研究院重磅推出全球首个 mRNA 疫苗基因序列设计算法 LinearDesign，是专门用于优化 mRNA 序列设计的高效算法。
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针对新冠病毒 mRNA 疫苗，LinearDesign 能在11分钟内大大提升疫苗设计的稳定性和蛋白质表达水平，从而有效解决了 mRNA 疫苗研发中最重要的稳定性问题，加速疫苗研发速度。这无疑是令整个业界振奋的消息，为全球疫苗研发提振信心。
从生物学角度看，疫苗的研制有多个方向，如 DNA 疫苗、mRNA 疫苗、蛋白质疫苗等。疫苗的基本原理是通过激活人体免疫细胞，使其能够识别特定的病毒蛋白质结构，达到免疫效果。相较于传统的蛋白质疫苗，mRNA 疫苗省去了蛋白质疫苗需要体外培育抗原的环节，大大减少了生产周期，研发速度快，成为最有希望的预防工具。
但 mRNA 疫苗的制约也很明显，一个突出难题就是由于 mRNA 本身稳定性不足而容易被分解，在保存、运输过程中及体内表达时失效。稳定性也成了 mRNA 疫苗研发面临的重大挑战，是困扰全球科研机关、防疫机构和生物医学公司的难题。
世界 mRNA 疫苗研发竞赛领头羊、美国 Moderna 公司最新论文研究表明，mRNA 序列的二级结构越多，其基因序列就越稳定，并且蛋白质翻译效率越高。因此当下面临的问题，是需要在2.4乘以10的632次方个 mRNA 潜在序列中找到能够翻译成特定蛋白质（抗原），同时又具有稳定的二级结构的序列。
这个数字是什么概念？举个例子，假设有个超级计算机一秒可以计算一个 mRNA 序列的二级结构，那么即使从宇宙形成开始算到现在（约130-140亿年），可能连所有可能的 mRNA 序列的亿万分之一都没算完。
LinearDesign 算法解决了这一“世界性”难题。
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它是应用计算机科学领域经典算法——动态规划算法，来将这一问题的搜索时间从亿万亿年降低到分钟级。在新冠病毒的刺突蛋白序列上的计算机模拟实验表明，LinearDesign 能够设计出结构最稳定的序列，而且设计时间只需要1个半小时。如果采用线性时间近似算法，所需时间可以进一步缩短到11分钟， 而与最优解的能量差距（衡量稳定性的指标，能量越低越稳定）只有0.6%。这两种设计相比于自然界天然存在的新冠病毒刺突蛋白 mRNA 序列要稳定的多（能量降低了150%）。研究出 LinearDesign 算法，百度研究院继续向全球疫苗研发机构及研究中心等免费开放，并在 arXiv 发布了相关论文，助力新冠病毒疫苗研发。
LinearDesign 算法出炉的背后，还原出一个全球学术界、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月底百度研究院对外开放的线性时间算法 LinearFold 升级。LinearFold 预测 RNA 二级结构的速度堪称全球最快，整个分析时间能够从55分钟缩短至27秒，提速120倍。
LinearFold 对外开放后，备受业内关注。RNA 设计领域世界知名专家、斯坦福大学生物化学系 Rhiju Das 教授，关注到目前 mRNA 疫苗研发存在一个巨大挑战，即 mRNA 疫苗稳定性问题。针对这一问题 Das 教授提议一种解决方案：通过人海战术，用百度一月份公开的 LinearFold 算法为结构分析引擎， 发起疫苗设计的公开竞赛（OpenVaccine Challenge），找到适合生产疫苗的比较稳定的 mRNA 序列。
百度研究院提出了另外一种更直接的解决方法，即通过算法直接设计出更稳定的 mRNA 疫苗序列。这个算法提出后，引起了世界顶级 RNA 生物学专家、美国罗切斯特大学 David Mathews 教授的兴趣，一起参与了这个项目，并且 David Mathews 教授高度评价这个算法：
LinearDesign 是一种算法，它设计了一组结构更稳定的序列，并使用优化的密码子。此算法高效的运行速度是优化序列设计的关键，这些序列可以通过实验检验它们作为疫苗的效果。
新冠疫苗研发已成为全球性课题，人工智能技术与生物、医药等行业深度融合，从技术角度提供全新的解题方法。LinearDesign 算法，正来源于百度与全球生物、医药专家的思想碰撞，这也是一次 AI 与生物行业融合的成功尝试。除了当下的新冠病毒 mRNA 疫苗，LinearDesign 算法也同样适用于其他 mRNA 疫苗的研发。可以预见，该算法将在高效研发疫苗方面发挥极大作用。
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百度作为此次 AI 战“疫”的排头兵，持续释放技术原力，通过免费开放 LinearFold、LinearDesign 等算法助力抗疫效率提升。
今年4月，百度已与中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所签署战略合作协议，联合设立“中国 CDC 应急技术中心-百度基因测序工作站”。此外，中国疾病预防控制中心后续将使用百度 LinearDesign 算法设计的 mRNA 疫苗序列进行体外实验，验证疫苗的稳定性和蛋白质表达效率。6月，北京新发地突发新冠疫情，CDC工作站在接收样本后，仅用10小时完成北京四个样本的全基因组测序，为防控疫情做出重大贡献。未来，百度将继续以 AI 技术助力全球抗疫事业。
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