Biohub rappresenta un’organizzazione scientifica senza scopo di lucro che sta guidando una rivoluzione nel campo della ricerca biomedica. La sua missione ambiziosa è curare o prevenire tutte le malattie, combinando l’intelligenza artificiale di frontiera con la biologia avanzata per accelerare drasticamente il progresso scientifico.

Fondato nel 2016 grazie a un finanziamento iniziale di 600 milioni di dollari da parte di Mark Zuckerberg e Priscilla Chan attraverso la Chan Zuckerberg Initiative, Biohub si è evoluto in una rete di istituti di ricerca che collega alcune delle più prestigiose università americane. Il progetto ha ricevuto ulteriori investimenti fino a raggiungere 4 miliardi di dollari dedicati alla ricerca scientifica fondamentale, con l’obiettivo di raddoppiare questo importo nei prossimi dieci anni.

L’organizzazione opera attraverso una struttura articolata che include il CZ Biohub San Francisco, nato dalla collaborazione tra UC Berkeley, Stanford e UC San Francisco, il CZ Biohub Chicago che unisce University of Chicago, Northwestern University e University of Illinois, e il CZ Biohub New York che collega Columbia University, Rockefeller University e Yale University. Ogni hub si concentra su sfide scientifiche specifiche con orizzonti temporali tra i 10 e i 15 anni.

L’integrazione tra intelligenza artificiale e ricerca biologica avanzata

Biohub sta costruendo modelli di intelligenza artificiale di frontiera per la biologia, addestrati su vasti dataset biologici unici per prevedere meglio come si comportano le cellule umane e come possono cambiare. Questi modelli permetteranno agli scienziati di elaborare nuove teorie, progettare esperimenti potenti e fare scoperte rivoluzionarie sulla salute e le malattie umane.

L’organizzazione ha recentemente integrato EvolutionaryScale, un laboratorio di ricerca AI all’avanguardia specializzato in sistemi di intelligenza artificiale su larga scala per le scienze della vita. Alex Rives, co-fondatore e chief scientist di EvolutionaryScale, guida ora la strategia di ricerca integrata che unisce biologia sperimentale, dati e intelligenza artificiale. Rives è pioniere nel campo della modellazione del linguaggio AI applicata alla biologia.

Per alimentare questi sforzi, Biohub sta espandendo la sua capacità computazionale di dieci volte, raggiungendo 10.000 GPU entro il 2028. Questa infrastruttura rappresenta uno dei sistemi di calcolo ad alte prestazioni più potenti al mondo dedicato alla ricerca scientifica senza scopo di lucro. L’organizzazione dispone già di un cluster di calcolo con diversi tipi di GPU e CPU, oltre 40 petabyte di storage e una connessione diretta a 100 Gbps agli strumenti scientifici.

Le quattro grandi sfide scientifiche per trasformare la medicina

Biohub ha definito quattro sfide scientifiche ambiziose che guideranno il suo lavoro nei prossimi anni.

La prima sfida riguarda lo sviluppo di un modello unificato basato su AI della cellula per prevedere e comprendere come si comportano le cellule all’interno del corpo umano. Questi modelli digitali ad alta fedeltà di molecole, genomi, cellule e sistemi viventi permetteranno di condurre esperimenti virtuali a una scala e velocità impossibili nei laboratori tradizionali. Gli scienziati potranno simulare risultati sperimentali ed esplorare sistemi biologici con una profondità senza precedenti.

La seconda sfida si concentra sullo sviluppo di tecnologie di imaging all’avanguardia per visualizzare processi biologici complessi su scale senza precedenti. Catturando i processi biologici attraverso diverse scale, dalle singole proteine agli organismi interi, i ricercatori stanno rivelando come le cellule si assemblano in tessuti e organi specifici. Queste capacità di imaging serviranno per addestrare e validare i modelli cellulari virtuali della prossima generazione.

La terza sfida prevede la creazione di nuovi strumenti per rilevare e misurare l’infiammazione a livello molecolare nei tessuti umani in tempo reale. Questo permetterà interventi precoci e proattivi quando l’infiammazione, che guida le più significative cause di morte a livello mondiale, inizia a manifestarsi nel corpo umano. Il CZ Biohub Chicago si dedica specificamente a questa area, sviluppando sensori impiantabili capaci di monitorare continuamente i processi infiammatori.

La quarta sfida riguarda l’utilizzo dell’AI per riprogrammare e sfruttare il sistema immunitario per il rilevamento precoce, la prevenzione e il trattamento delle malattie. Biohub sta sviluppando modelli di AI e cellule ingegnerizzate che sfruttano le nostre cellule immunitarie per rilevare e trattare i primi segni di malattie legate all’età, come cancro, Alzheimer e Parkinson, fornendo trattamenti mirati solo quando e dove necessario.

La biologia virtuale e l’accelerazione della scoperta scientifica

Uno degli aspetti più rivoluzionari del progetto Biohub è il concetto di biologia virtuale. Creando rappresentazioni digitali ad alta fedeltà di molecole, genomi, cellule e sistemi viventi, diventa possibile porre domande scientifiche in modo digitale, conducendo esperimenti virtuali a una scala e velocità molto superiori rispetto a quanto possibile in laboratorio.

Biohub ha lanciato il Virtual Immune System, un progetto di punta per modellare l’immensa complessità del sistema immunitario umano. L’obiettivo è trasformare la comprensione della scienza immunologica, aprendo la porta all’ingegnerizzazione della salute umana, alla simulazione di terapie immunitarie, alla riprogrammazione di cellule disfunzionali e alla prevenzione delle malattie prima che si manifestino.

L’organizzazione sta rendendo disponibili gratuitamente diversi modelli AI attraverso la sua piattaforma Virtual Cells. VariantFormer traduce le variazioni genetiche personali in modelli di attività genica specifici per tessuto. CryoLens fornisce un’analisi end-to-end per immagini di crioelettronica tomografia. scLDM può generare dati realistici di cellule singole in silico con una fedeltà senza precedenti. Questi si affiancano ad altri modelli come GREmLN, che comprende come le reti di regolazione genica governano il comportamento cellulare, e rBio, un modello linguistico conversazionale progettato per eseguire ragionamenti biologici.

I programmi di ricerca collaborativa e il sostegno agli investigatori

Biohub dedica un terzo dei suoi finanziamenti ai programmi extramuros, principalmente attraverso l’Investigator Program. Questo programma fornisce cinque anni di finanziamento a scienziati di diverse discipline che sono membri della facoltà presso le università partner.

Ogni investigatore riceve 1 milione di dollari di finanziamento senza restrizioni nel corso di cinque anni presso il CZ Biohub San Francisco. Il programma incoraggia la ricerca innovativa che potrebbe non essere sufficientemente sviluppata per qualificarsi per finanziamenti dall’industria farmaceutica o dal National Institutes of Health. Come requisito del programma, gli investigatori si incontrano due volte al mese per condividere le scoperte, promuovendo la collaborazione e accelerando lo sviluppo di progressi scientifici e medici.

Il CZ Biohub New York offre premi da 200.000 dollari all’anno per tre anni, con possibilità di rinnovo per altri due anni. Il programma sostiene ricerche visionarie sulla biologia delle cellule immunitarie e sulle malattie, con priorità per gli studi che generano dati critici per addestrare modelli AI del sistema immunitario.

Nel 2022, l’organizzazione ha selezionato la sua seconda coorte di investigatori, assegnando sovvenzioni di 1 milione di dollari ciascuna a 86 ricercatori individuali provenienti da molteplici discipline scientifiche e sanitarie presso Stanford University, UC Berkeley e UCSF per supportare cinque anni di ricerca.

Caratteristiche distintive del progetto Biohub

• Capacità computazionale senza precedenti con espansione prevista fino a 10.000 GPU entro il 2028
• Dataset biologici unici al mondo, inclusi i più grandi dataset di cellule singole mai creati
• Piattaforma Virtual Cells per lo sviluppo e l’applicazione di modelli AI per la biologia
• Rete di eccellenza accademica che collega le migliori università americane in un ecosistema collaborativo
• Approccio open science con modelli e dataset resi liberamente disponibili alla comunità scientifica globale
• Programma Investigator che finanzia ricerca ad alto rischio e alto rendimento
• Focus su quattro grandi sfide scientifiche con orizzonti temporali tra 10 e 15 anni
• Tecnologie innovative di imaging per visualizzare processi biologici a scale multiple
• Strumenti avanzati per la ricerca su malattie infettive, infiammazione e sistema immunitario
• Integrazione di biologia sperimentale e intelligenza artificiale in un’unica strategia di ricerca

Perché Biohub è fondamentale per il futuro della medicina

Biohub rappresenta un cambio di paradigma nel modo in cui viene condotta la ricerca biomedica. L’integrazione di intelligenza artificiale avanzata con biologia sperimentale di frontiera crea opportunità senza precedenti per comprendere i meccanismi fondamentali delle malattie.

La possibilità di creare modelli cellulari virtuali permette di comprimere decenni di scoperte scientifiche in mesi. Invece di condurre esperimenti fisici che richiedono tempo e risorse considerevoli, i ricercatori potranno testare ipotesi in modo virtuale, identificare i percorsi più promettenti e concentrare gli esperimenti di laboratorio solo sulle strade più probabili per il successo.

L’approccio di scienza aperta di Biohub democratizza l’accesso a tecnologie all’avanguardia. Rendendo disponibili gratuitamente modelli AI, dataset e strumenti alla comunità scientifica globale, l’organizzazione accelera il ritmo della scoperta scientifica ben oltre ciò che potrebbe ottenere da sola. Questo crea un ciclo virtuoso in cui più ricercatori contribuiscono con dati e scoperte, migliorando ulteriormente i modelli AI.

La struttura collaborativa che unisce diverse università permette di combinare expertise complementari in modi che non sarebbero possibili all’interno di singole istituzioni. Fisici, biologi, ingegneri, informatici e medici lavorano insieme su problemi complessi, portando prospettive diverse che accelerano l’innovazione.

A chi può essere utile il progetto Biohub

Ricercatori e scienziati in ambito biomedico rappresentano i beneficiari primari di Biohub. La piattaforma Virtual Cells fornisce strumenti no-code e tutorial guidati per eseguire modelli AI sui propri dati, valutare le prestazioni su benchmark biologicamente rilevanti e scoprire modelli AI e dati più pertinenti per la propria ricerca. Gli sviluppatori di modelli AI hanno accesso a dataset multimodali pronti per il machine learning e benchmark definiti da biologi per valutare le prestazioni dei modelli.

Istituzioni accademiche e università beneficiano dell’accesso a infrastrutture computazionali che sarebbero altrimenti proibitive in termini di costi. Il cluster di calcolo ad alte prestazioni di Biohub è uno dei più potenti al mondo dedicato alla ricerca scientifica senza scopo di lucro, rendendo possibile ricerca che richiederebbe investimenti di centinaia di milioni di dollari.

Medici e professionisti sanitari potranno eventualmente utilizzare gli strumenti sviluppati da Biohub per diagnosi più precoci e trattamenti personalizzati. Le tecnologie per il rilevamento precoce delle malattie, il monitoraggio dell’infiammazione e la medicina cellulare programmabile potrebbero trasformare la pratica clinica, permettendo interventi prima che le malattie progrediscano a stadi avanzati.

Pazienti affetti da malattie rare o poco comprese potrebbero trovare nuove speranze attraverso la comprensione più profonda dei meccanismi cellulari. La capacità di modellare come le mutazioni genetiche si esprimono in diversi tipi di cellule e cosa esattamente si sta rompendo permette lo sviluppo di trattamenti mirati per condizioni che attualmente rimangono misteri per la scienza.

L’industria farmaceutica e biotecnologica può accelerare lo sviluppo di farmaci utilizzando i modelli cellulari virtuali per testare composti e prevedere efficacia ed effetti collaterali prima di iniziare costose sperimentazioni cliniche. Questo riduce significativamente i tempi e i costi per portare nuovi trattamenti ai pazienti.

Laboratori di salute pubblica e organizzazioni sanitarie globali beneficiano degli strumenti di sorveglianza delle malattie infettive sviluppati da Biohub. Il team Rapid Response del CZ Biohub San Francisco ha sviluppato protocolli e strumenti software per il sequenziamento di nuova generazione e l’analisi dei dati, distribuiti a paesi a basso e medio reddito per rilevare, caratterizzare e tracciare minacce patogene emergenti.

Verso una nuova era della ricerca biomedica

Biohub sta ridefinendo i confini di ciò che è possibile nella ricerca biomedica. L’ambizione di curare o prevenire tutte le malattie entro la fine del secolo, che inizialmente poteva sembrare utopica, appare sempre più raggiungibile grazie ai progressi nell’intelligenza artificiale.

L’organizzazione opera con un budget operativo annuale di circa 1 miliardo di dollari, investendo risorse massicce in infrastrutture computazionali, tecnologie sperimentali e talenti scientifici. Questo livello di investimento riflette la convinzione che accelerare la scienza rappresenta l’impatto più positivo che si possa ottenere.

Il modello Biohub combina il meglio della ricerca accademica con la velocità e l’ambizione tipiche della Silicon Valley. Invece di frammentare gli sforzi attraverso migliaia di piccoli progetti, l’organizzazione concentra risorse significative su grandi sfide scientifiche con orizzonti temporali lunghi, permettendo ricerche che non sarebbero possibili attraverso canali di finanziamento tradizionali.

La partnership con NVIDIA per accelerare lo sviluppo di modelli cellulari virtuali dimostra come collaborazioni strategiche possono amplificare l’impatto. Combinando l’expertise di Biohub nella generazione di dati biologici e nello sviluppo di modelli con la leadership di NVIDIA nel calcolo accelerato, i ricercatori ottengono l’infrastruttura e gli strumenti necessari per fare scoperte innovative sulla biologia umana.

Prospettive future e impatto trasformativo sulla società

L’iniziativa di Biohub potrebbe sbloccare quella che viene definita “medicina di frontiera”. L’AI potrebbe rendere possibili progressi come il rilevamento precoce delle malattie, il monitoraggio e la prevenzione; medicine cellulari programmabili; cure personalizzate basate sull’editing genetico; e approcci per prevenire e curare malattie infiammatorie e croniche.

Man mano che si fanno progressi su questi sistemi, potrebbe diventare possibile ottenere decenni di scoperte in mesi. Questa accelerazione esponenziale della scoperta scientifica trasformerebbe non solo la medicina, ma anche la nostra comprensione fondamentale della biologia umana e dei processi della vita stessa.

La visione di Biohub non si limita a trattare le malattie, ma mira a comprenderle così profondamente da poterle prevenire completamente prima che si manifestino.