Lab-in-the-loop IA per le scienze della vita

Accorcia il percorso dall'ipotesi alla scoperta ingegnerizzando l'intelligenza biologica con il feedback del laboratorio.

Carichi di lavoro

Biologia strutturale
Progettazione molecolare
Simulazione molecolare
Imaging biomedico

Settori

Settore sanitario e Scienze della vita
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Un nuovo paradigma per la Ricerca e Sviluppo (R&S) basata sull'IA

Il lab-in-the-loop (LITL) sta ridefinendo il futuro della R&S nel settore delle scienze della vita, trasformando il processo sperimentale in un loop intelligente e iterativo in cui i modelli IA propongono ipotesi, i sistemi robotici eseguono esperimenti e i risultati perfezionano continuamente le previsioni.

Questo approccio risolve le criticità della ricerca farmacologica tradizionale, come i lunghi cicli di progettazione-creazione-test-analisi e i bassi tassi di successo, unendo IA generativa, acquisizione di dati in tempo reale e sperimentazione automatizzata. Grazie ai modelli fondamentali, al calcolo scalabile e alla perfetta integrazione dei laboratori, l'LITL accelera le tempistiche di ricerca, trasforma i risultati dei laboratori sperimentali in IP strategica e porta l'IA in ogni fase dell'esplorazione scientifica.

La biologia strutturale non è statica

Il lab-in-the-loop per la biologia strutturale sta cambiando il modo in cui gli scienziati determinano e perfezionano le strutture proteiche 3D, incorporando l'IA direttamente nei cicli di feedback sperimentali.

In questo paradigma, modelli come AlphaFold e RoseTTAFold non si limitano a prevedere la struttura; eseguono modifiche, apportano migliorie e ridistribuiscono le priorità in base ai dati in tempo reale di test condotti nei laboratori sperimentali, come Cryo-EM, o di esperimenti di legame. Questa stretta integrazione tra previsione e convalida chiude il cerchio tra progettazione e scoperta, accelerando la determinazione della struttura, riducendo i tempi di iterazione e fornendo informazioni più approfondite sul ripiegamento proteico, sugli stati conformazionali e sui siti di legame. Rendendo la previsione della struttura un sistema di apprendimento continuo, l'LITL migliora tutte le decisioni a valle della ricerca farmacologica, dalla selezione degli obiettivi alla progettazione dei composti guida.

La modellazione proteica basata sull'IA incontra la convalida del mondo reale.

Il risultato è un sistema dinamico in cui l'IA si addestra continuamente sui dati del mondo reale, acquisendo conformazioni alternative, modellando complessi e regioni disordinate in modo più efficace e correggendo errori che potrebbero compromettere la progettazione successiva. In un contesto in cui la precisione a livello atomico determina il successo terapeutico, l'LITL offre precisione su vasta scala, rendendo l'IA per la previsione delle strutture un punto di partenza e una fonte di informazioni in continua evoluzione nel processo iterativo della ricerca farmacologica.

Progettazione molecolare più rapida e avanzata

La progettazione molecolare richiede cicli rapidi e iterativi per esplorare lo spazio chimico e perfezionare i candidati in base ad attività, selettività e possibilità di sintesi.

I modelli di IA generativa progettano nuovi composti, che vengono sintetizzati e testati in laboratorio, fornendo feedback per guidare ulteriori progetti molecolari basati sull'IA. Questo loop continuo perfeziona le relazioni struttura-attività (SAR) e consente una convergenza più rapida su molecole promettenti, rendendo la progettazione molecolare un'applicazione del lab-in-the-loop ad alto potenziale in cui velocità, iterazione e realismo chimico sono elementi fondamentali.

Accelera i cicli hit-to-lead con l'IA generativa.

Per trasformare le molecole virtuali in validi candidati farmaco, la progettazione molecolare lab-in-the-loop utilizza oracoli, ovvero feedback da test o simulazioni di laboratorio, per guidare e riaddestrare modelli IA come GenMol e MolMIM. I filtri veloci mettono in ordine di priorità i progetti, mentre i candidati migliori vengono perfezionati attraverso la convalida nel mondo reale. Questo loop di feedback crea molecole più intelligenti e simili a farmaci a ogni ciclo.

La simulazione molecolare porta la fisica nell'IA

Modellare come le molecole si muovono, si piegano e interagiscono nel tempo e nello spazio consente di acquisire comportamenti spesso invisibili alla previsione delle strutture statiche.

In un flusso di lavoro lab-in-the-loop, queste simulazioni diventano più di semplici strumenti predittivi: fungono da efficace filtro che convalida e perfeziona i progetti molecolari prima di impegnarsi in costose sintesi di laboratorio. Tecniche come la dinamica molecolare (MD), i calcoli di energia libera e i modelli di simulazione basati su grafi possono valutare la stabilità, la forza di legame e la flessibilità conformazionale. Integrare questi risultati in loop iterativi di addestramento dell'IA può aiutare i ricercatori a dare priorità per i test nel mondo reale solo ai candidati più promettenti, creando un sistema basato sul feedback che fonda la chimica generativa nella realtà fisica e testabile.

Le simulazioni molecolari mettono i composti progettati dall'IA a contatto con la realtà fisica, rivelando come si piegano, si legano e si comportano prima di raggiungere il laboratorio.

Nei flussi di lavoro lab-in-the-loop, la simulazione molecolare sta diventando un segnale di apprendimento attivo. Strumenti come DualBind ed EquiDock ora modellano le dinamiche e forniscono un feedback che riaddestra i modelli generativi, come MolMIM e GenMol. Integrando risultati come energie di legame e cambiamenti conformazionali nei loop di apprendimento, la simulazione si sta evolvendo da validatore a elemento chiave di scoperta, rendendo ogni ciclo di progettazione più veloce, intelligente e accurato.

Dove i modelli incontrano l'imaging biomedico

Il lab-in-the-loop per l'imaging biomedico porta l'IA e l'imaging in un ciclo basato sul feedback che unisce la progettazione molecolare a risultati biologici reali.

In questo contesto, le tecnologie di imaging, dalla patologia digitale e la fluorescenza multiplex alla radiomica basata sull'IA, sono letture ad alta dimensionalità che rivelano come cellule, tessuti o interi sistemi rispondono a una terapia candidata. Queste informazioni fenotipiche e spaziali non servono solo per la convalida, ma diventano segnali di apprendimento. Se integrati nelle pipeline IA, i risultati di imaging aiutano a perfezionare i modelli generativi, a scoprire effetti off-target e a ottimizzare i composti in base alle risposte biologiche reali. Collegando i modelli predittivi alle prove visive, il lab-in-the-loop rende l'imaging una parte dinamica del motore di scoperta, non solo un'istantanea diagnostica.

L'imaging biomedico è una tecnologia fondamentale in biologia.

L'imaging biomedico si sta rapidamente evolvendo, diventando un segnale di feedback chiave nei flussi di lavoro lab-in-the-loop. Nuovi modelli IA, come scGPT (Generative Pre-trained Transformer per scienze computazionali), trasformatori visivi e modelli fondamentali multimodali, possono ora essere utilizzati per collegare immagini fenotipiche a meccanismi molecolari, consentendo un apprendimento rapido dai dati visivi. Le tecniche di apprendimento auto-supervisionato e contrastivo trasformano i risultati delle immagini ad alta dimensionalità in segnali di riaddestramento che guidano l'ottimizzazione dei composti, rivelano effetti off-target e perfezionano le ipotesi terapeutiche. Con il miglioramento della risoluzione delle immagini e della comprensibilità dei modelli, l'imaging biomedico sta diventando uno degli strumenti più potenti per la ricerca basata sull'IA.

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