Fabryka AI w Krakowie będzie tworzyć cyfrowe bliźniaki. Przełom w medycynie

Co to jest cyfrowy bliźniak (ang. digital twin)? Pod tym pojęciem kryją się zdigitalizowane, czyli utworzone w świecie wirtualnym, kopie systemów, organizmów żywych czy nawet wizerunków osób. W marcu tego roku pisaliśmy o "cyfrowych bliźniaczkach", będących replikami modelek wykorzystywanymi w kampaniach. Ta kontrowersyjna praktyka rozciąga się też na inne obszary, w tym na kino czy audiobooki.

Cyfrowe bliźniaki są też wykorzystywane przez naukowców do prowadzenia badań in silico, czyli "na krzemie", w środowisku komputerowym. Wirtualne repliki ciała człowieka i środowiska naturalnego pozwalają przeprowadzać symulacje i analizy niskim kosztem, bez narażania pacjenta czy ekosystemu na niebezpieczeństwo.

Przeniesione do świata wirtualnego cyfrowe kopie złożonych systemów wymagają do działania wysokiej mocy obliczeniowej i specjalnej infrastruktury, której dostarczyć mogą centra danych AI. Są to dużo bardziej zaawansowane modele komputerowe niż np. model 3D zeskanowanego narządu. Jakiego rodzaju cyfrowe bliźniaki będą tworzone i badane w Krakowie?

Polscy naukowcy będą mogli badać cyfrowe bliźniaki przy pomocy technologii udostępnianej przez drugą fabrykę AI w naszym kraju - AI Gaia, która powstaje przy Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet AGH. Projekt współtworzą badacze z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego i Sano Centrum Medycyny Obliczeniowej. Jak już wiemy, cyfrowe bliźniaki mogą obejmować przeróżne układy i zachodzące w nich procesy, a nawet wizerunki osób. W Krakowie będą rozwijane ich dwa rodzaje - cyfrowy bliźniak mikrobiomu jelitowego oraz cyfrowy bliźniak mikrobiomu środowiskowego.

"Największym wyzwaniem nie jest obecnie budowanie superkomputerów, tylko takie ich projektowanie, by potrafiły rozwiązywać realne problemy. Nasze zadanie w tym przedsięwzięciu będzie polegać na stworzeniu tzw. cyfrowych bliźniaków" - powiedział Polskiej Agencji Prasowej dr hab. inż. Paweł Łabaj, prof. UJ, z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ. "Takie cyfrowe bliźniaki, oparte na infrastrukturze fabryki AI, pozwolą przewidywać, jak organizm reaguje na różne interwencje, m.in. leczenie farmakologiczne czy zmiany stylu życia".

Analizy i symulacje w środowisku wirtualnym nie tylko nie narażają bezpieczeństwa pacjentów, ale również mogą umożliwić opracowywanie spersonalizowanych terapii. Przyspieszą również opracowywanie nowych leków. W lipcu tego roku pisaliśmy o sztucznej inteligencji AlphaFold, która zaprojektowała nowe leki, a już niebawem mają one być testowane na ludziach. Dzięki przeniesieniu wczesnych etapów opracowywania leków do środowiska in silico, proces ten jest szybszy i tańszy. Teraz z takiej metody będą mogli korzystać również polscy naukowcy - przy użyciu technologii rozwijanej w Polsce i uruchamianej w polskich centrach danych.

Wybór mikrobiomu jelitowego jako jednego z dwóch pierwszych cyfrowych bliźniaków uruchamianych w Polsce nie jest przypadkowy. W ostatnich latach coraz więcej badań wykazuje na ogromną rolę tego środowiska w stanie zdrowia fizycznego i psychicznego człowieka. Mikrobiom jelitowy, czyli żyjące tam bakterie i inne mikroby, jest niezwykle skomplikowanym systemem, który tylko częściowo został zbadany. Nowe technologie znacznie ułatwią dalsze prace naukowców.

Od stanu mikrobiomu jelitowego zależeć może skuteczność terapii, np. lekiem antynowotworowym, który polscy naukowcy testowali kilka lat temu. "Jak W badaniach na liniach komórkowych oraz zwierzętach działał znakomicie, natomiast u części pacjentów był całkowicie nieskuteczny. Okazało się, że osoby, u których nie działał, miały w jelitach określoną bakterię. Produkowała ona metabolit, który całkowicie unieczynniał ten lek. Po zastosowaniu antybiotyku i usunięciu bakterii lek zaczął działać prawidłowo" - relacjonuje dr hab. inż. Paweł Łabaj.

Co więcej, gdy lekarze ustalą charakterystykę mikrobiomu konkretnej osoby, będą mogli dobrać suplementy, które będą dla niej skuteczne, a pozostałe odrzucić. Gdy zaś zostanie wykryta dysbioza, czyli zaburzenie równowagi w składzie i funkcji mikrobioty jelitowej, można będzie dobrać odpowiednie prebiotyki i probiotyki, a cyfrowy bliźniak mikrobiomu pomoże dokładnie ustalić, kiedy podać preparaty. Można to uznać za biohacking, który do tej pory nie był możliwy na taką skalę, tak szybko ani takim kosztem.

Gaia AI Factory to druga w Polsce fabryka AI. O planach jej powstania pisaliśmy 10 października. Tego dnia Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Ministerstwo Cyfryzacji ogłosiły jej budowę. Za budowę odpowiada konsorcjum nadzorowane przez Akademickie Centrum Komputerowe Cyfronet AGH w Krakowie. Potężna infrastruktura obliczeniowa będzie dostępna dla naukowców, przedsiębiorstw oraz przedstawicieli administracji publicznej.

"Dopiero teraz, dzięki rozwojowi infrastruktury obliczeniowej, możliwe jest realistyczne odwzorowanie tak złożonych systemów jak mikrobiom. Wcześniej brakowało nam zarówno mocy obliczeniowej, jak i danych wysokiej jakości. Teraz te warunki zaczynają się spełniać" - dodał dr hab. inż. Paweł Łabaj.