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Avantages et inconvénients de l'IA générative dans la biotechnologie

Par Zareh Zurabyan 9 minutes de lecture 02 Mai 2024

La R&D en biotechnologie a donné naissance à certaines des innovations les plus impressionnantes, de l'ADN recombinant à l'édition du génome. Si le chemin vers la commercialisation a toujours été semé d'embûches, de nombreux obstacles fondamentaux à l'innovation ont pris de l'ampleur. Actuellement, il y a une surcharge de données et d'idées non structurées. Les traduire en idées qui changent le monde représente un énorme défi organisationnel et logistique.

Avec l'essor de l'IA générative au cours de l'année écoulée, une solution à certains de ces problèmes se profile à l'horizon. L'IA générative peut favoriser la pensée divergente, remettre en question les préjugés des experts, évaluer et affiner les idées, et faciliter la collaboration entre les domaines de recherche de niche. Elle rationalise également le cycle de vie des données et modifie les aspects créatifs des opérations des laboratoires de biotechnologie, comme l'automatisation et l'amélioration de la qualité du contenu, des carnets de laboratoire à la littérature scientifique publiée. 

Dans le blog suivant, nous examinerons ce qu'est l'IA générative, comment elle fonctionne et ses applications dans le domaine de la biotechnologie et des sciences de la vie au sens large.

Qu'est-ce que l'IA générative ? 

L'IA générative est une catégorie de techniques et d'algorithmes d'intelligence artificielle qui génèrent de nouveaux échantillons de données ou de nouveaux contenus, notamment de l'audio, du code, des images, du texte, des simulations et des vidéos. 

Contrairement aux modèles discriminatifs qui se concentrent sur des tâches de classification ou de prédiction basées sur des données existantes, les modèles génératifs apprennent les modèles et structures sous-jacents des données afin de générer de nouvelles instances statistiquement similaires aux données d'apprentissage.

L'IA générique englobe un large éventail d'algorithmes et d'approches

L'IA générique a des applications dans divers domaines, notamment la génération d'images, la synthèse de textes, la composition musicale, la découverte de médicaments et la création de contenu. Elle permet de générer des échantillons de données réalistes et diversifiés, facilite l'augmentation des données pour l'entraînement des modèles d'apprentissage automatique et favorise la créativité et l'innovation dans les applications basées sur l'IA.

Il existe plusieurs algorithmes et approches, notamment :

  • Réseaux adverbiaux génératifs (GAN) : Les GAN se composent de deux réseaux neuronaux, un générateur et un discriminateur, qui sont formés simultanément de manière compétitive. Le générateur apprend à générer des échantillons de données réalistes, tels que des images, du texte ou du son, tandis que le discriminateur apprend à distinguer les échantillons réels des échantillons générés. Grâce à l'entraînement contradictoire, les GAN produisent des données synthétiques de haute qualité qui ressemblent étroitement à la distribution des données réelles.
  • Autoencodeurs variationnels (VAE) : Les VAE sont des modèles génératifs probabilistes qui apprennent à coder et à décoder des échantillons de données dans un espace latent de dimension inférieure. En échantillonnant l'espace latent et en décodant les échantillons dans l'espace de données original, les VAE peuvent générer de nouveaux échantillons de données qui capturent la variabilité et la structure des données d'apprentissage. Les VAE sont couramment utilisées pour générer des images, du texte et d'autres types de données complexes.
  • Modèles autorégressifs : Les modèles autorégressifs, tels que les réseaux neuronaux autorégressifs (ARN) et les modèles de moyenne mobile autorégressive (ARMA), génèrent des séquences de données en modélisant la distribution de probabilité conditionnelle de chaque point de données compte tenu des observations précédentes. En échantillonnant de manière itérative la distribution conditionnelle, les modèles autorégressifs génèrent des séquences d'échantillons de données, telles que des données de séries temporelles, de la parole ou du texte.
  • Transformers : Les transformateurs sont une classe d'architectures d'apprentissage profond qui ont atteint des performances de pointe dans les tâches de traitement du langage naturel (NLP). Les transformateurs, en particulier les variantes telles que GPT (Generative Pre-trained Transformer) et BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers), peuvent générer un texte cohérent et contextuellement pertinent en modélisant les relations entre les mots ou les tokens dans une séquence.

Comment fonctionne Gen AI ?

L'IA générative utilise diverses techniques - notamment les réseaux neuronaux et les algorithmes d'apprentissage profond - pour identifier des modèles et générer de nouveaux résultats sur la base de ces derniers. Le processus de formation d'un modèle génératif consiste à l'alimenter avec un vaste ensemble de données d'exemples, tels que des images, du texte, du son et des vidéos. Alors que l'IA traditionnelle vise à exécuter des tâches spécifiques sur la base de règles et de modèles prédéfinis, l'IA générative va au-delà de cette limitation et s'efforce de créer des données entièrement nouvelles qui ressemblent à du contenu créé par l'homme. A modèle linguistique est un exemple d'IA génique, utilisant un modèle probabiliste d'une langue naturelle qui peut générer des probabilités pour une série de mots sur la base de corpus de textes dans une ou plusieurs langues sur lesquelles il a été formé. Les grands modèles de langage, dans leur forme la plus avancée, sont une combinaison de réseaux neuronaux de type "feedforward" et d'algorithmes d'apprentissage. transformateurs.

Dans le domaine du traitement du langage naturel, il existe également une réseau neuronalL'apprentissage en profondeur est une méthode d'intelligence artificielle qui apprend aux ordinateurs à traiter des données en s'inspirant du cerveau humain. L'apprentissage en profondeur est un type de processus d'apprentissage automatique qui utilise des nœuds ou des neurones interconnectés dans une structure en couches qui ressemble au cerveau humain. Ces algorithmes peuvent prendre en compte différentes données et être utilisés pour la reconnaissance vocale.

Comment l'IA générique est-elle actuellement utilisée dans le domaine de la biotechnologie ?

L'IA générique est de plus en plus utilisée dans les biotechnologies et les sciences de la vie dans plusieurs applications, en tirant parti de sa capacité à générer des échantillons de données réalistes et diversifiés. Parmi les domaines clés dans lesquels l'IA générique est actuellement utilisée dans les biotechnologies et les sciences de la vie, on peut citer les suivants :

  • Découverte et développement de médicaments : L'IA génère nouvelles structures moléculaires avec les propriétés souhaitées pour les candidats-médicaments. Les modèles génératifs tels que les GAN et les VAE peuvent générer de nouveaux composés chimiques dotés de propriétés pharmacologiques spécifiques, ce qui permet d'identifier des candidats-médicaments potentiels et d'améliorer la qualité de vie des patients. accélérer le processus de découverte de médicaments.
  • Conception et ingénierie des protéines : Les techniques d'intelligence artificielle sont employées pour concevoir et fabriquer des protéines avec des fonctionnalités améliorées ou des activités biologiques spécifiques. Les chercheurs peuvent concevoir de nouvelles enzymes, de nouveaux anticorps ou de nouvelles thérapies pour diverses applications, notamment l'ingénierie enzymatique, l'administration de médicaments et l'immunothérapie, en générant des séquences ou des structures protéiques dotées des propriétés souhaitées.
  • Synthèse d'images biologiques : Modèles génératifs synthétiser des images biologiques réalistesCes images synthétisées peuvent être utilisées pour augmenter les ensembles de données d'entraînement pour les algorithmes d'analyse d'images, améliorer la généralisation des modèles d'apprentissage automatique et générer des données pour le criblage virtuel et le test des algorithmes in silico. Ces images synthétisées peuvent être utilisées pour augmenter les ensembles de données d'entraînement des algorithmes d'analyse d'images, améliorer la généralisation des modèles d'apprentissage automatique et générer des données pour le criblage virtuel et le test des algorithmes in silico.
  • Génération de données omiques : Les techniques de Gen AI sont appliquées pour générer des données synthétiques omiques, y compris des données génomiques, transcriptomiques, protéomiques et métabolomiques. Les données synthétiques omiques peuvent être utilisées pour compléter les données expérimentales réelles, simuler des processus biologiques et valider des modèles informatiques, ce qui permet aux chercheurs d'explorer des systèmes biologiques complexes et d'améliorer la qualité des données. découvrir des biomarqueurs ou des cibles thérapeutiques.
  • Génération de textes et de littérature : Les modèles génératifs génèrent contenu textuelLes textes générés peuvent être des articles scientifiques, des revues de la littérature ou des rapports sur les interactions médicamenteuses. Ces textes générés peuvent aider les chercheurs dans l'exploration de la littérature, la découverte de connaissances et la synthèse de données, facilitant ainsi la recherche documentaire et la prise de décision dans le domaine de la biotechnologie et des sciences de la vie.
  • Conception et synthèse de biomolécules : Les techniques d'intelligence artificielle sont utilisées pour concevoir et synthétiser de nouvelles biomoléculesLes chercheurs peuvent développer des biomolécules, telles que des peptides, des aptamères ou des acides nucléiques, dotées de fonctions ou de propriétés spécifiques. En générant des séquences ou des structures présentant les caractéristiques souhaitées, les chercheurs peuvent mettre au point des biomolécules pour des applications diagnostiques, thérapeutiques et de biodétection.

Dans l'ensemble, l'IA générique révolutionne la biotechnologie et les sciences de la vie en permettant la génération de nouveaux échantillons de données, de molécules et d'entités biologiques, en favorisant l'innovation et en accélérant les efforts de recherche et de développement dans divers domaines. Au fur et à mesure que le domaine progresse, l'IA devrait jouer un rôle de plus en plus central dans l'avenir de la biotechnologie et des sciences de la vie, y compris la recherche clinique. L'IA générique peut aider à identifier les cohortes de patients qui répondront le mieux à des médicaments spécifiques, développant ainsi une médecine plus personnalisée. Sur le site les aspects opérationnels et marketingL'IA générative peut optimiser la chaîne d'approvisionnement, les processus de fabrication et la stratégie de marketing et de publicité. 

Quelles sont les préoccupations liées à l'utilisation de l'IA générative dans le domaine de la biotechnologie ?

  • Qualité des données et biais: Les modèles d'intelligence artificielle dépendent fortement de la qualité et de la représentativité des données d'entraînement. Dans le domaine des biotechnologies et des sciences de la vie, les ensembles de données peuvent présenter des biais, des inexactitudes ou une diversité limitée, ce qui a un impact sur les performances et la capacité de généralisation. Les biais dans les données d'entraînement peuvent conduire à la génération d'échantillons biaisés ou irréalistes, ce qui nuit à la fiabilité et à la validité des résultats générés.
  • Interprétabilité et fiabilité: De nombreuses techniques d'IA générative, telles que les réseaux neuronaux profonds, sont complexes et opaques, ce qui rend difficile l'interprétation et la confiance dans les résultats générés. Dans des applications critiques telles que la découverte de médicaments et la conception de biomolécules, il est crucial de comprendre comment et pourquoi les modèles génératifs génèrent des résultats spécifiques. Le manque d'interprétabilité peut entraver l'adoption de l'IA générative dans les processus décisionnels et l'approbation réglementaire, limitant ainsi son utilité dans les applications du monde réel.
  • Données cartographiques: La cartographie des données dans le domaine de la biotechnologie et des sciences de la vie présente des défis en raison de la complexité et de l'hétérogénéité des systèmes biologiques et de la diversité des types et des sources de données. L'intégration et la cartographie de types de données hétérogènes nécessitent l'harmonisation des structures de données, des ontologies et des métadonnées afin d'assurer la cohérence des données entre les ensembles de données. Les problèmes de mise en correspondance des données peuvent affecter la précision et la fiabilité des modèles d'intelligence artificielle formés à partir de ces données, ce qui a une incidence sur leurs performances et leur applicabilité dans des scénarios réels. Il est essentiel de résoudre les problèmes liés à la cartographie des données pour garantir la qualité et la fiabilité des données d'entrée des modèles d'intelligence artificielle dans les domaines de la biotechnologie et des sciences de la vie. 

Utilisation quotidienne de l'IA pour les opérations de laboratoire

Nous avons énuméré ci-dessus les applications de recherche plus larges dans lesquelles l'IA générique peut être utilisée. Cependant, dans les opérations de laboratoire quotidiennes, le scientifique moyen des sciences de la vie et de la biotechnologie peut utiliser l'IA générique de plusieurs façons. L'IA générique peut remplacer les tâches manuelles et répétitives, libérant ainsi des ressources pour des tâches plus complexes et créatives. 

  • Analyse et interprétation des données : L'IA générique peut aider les scientifiques à analyser et à interpréter plus efficacement les données expérimentales. En utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique, les scientifiques peuvent former des modèles pour reconnaître des modèles, identifier des corrélations et extraire des informations significatives à partir d'ensembles de données complexes, tels que des données omiques, des images biologiques ou des résultats de criblage à haut débit. Gen AI peut automatiser les tâches d'analyse des données, rationaliser les processus d'interprétation des données et fournir des informations exploitables pour guider la conception expérimentale et la prise de décision en laboratoire.
  • Conception et planification expérimentales : L'IA générique peut aider les scientifiques à concevoir et à planifier des expériences en générant des hypothèses, en optimisant les conditions expérimentales et en prédisant les résultats. En s'appuyant sur des techniques de modélisation prédictive, les scientifiques peuvent simuler des scénarios expérimentaux, prédire les résultats expérimentaux et identifier les paramètres expérimentaux optimaux pour atteindre les objectifs souhaités. Gen AI peut contribuer à l'optimisation de la conception des expériences, à l'affectation des ressources et à l'évaluation des risques, en aidant les scientifiques à prendre des décisions éclairées et à maximiser l'efficacité des expériences en laboratoire.
  • Exploration de la littérature et découverte des connaissances : L'IA générique peut aider les scientifiques dans l'exploration de la littérature et la découverte de connaissances en analysant la littérature scientifique, en extrayant les informations pertinentes et en synthétisant les connaissances provenant de diverses sources. Les techniques de traitement du langage naturel (NLP) permettent d'extraire les concepts clés, d'identifier les relations entre les entités scientifiques et de résumer les résultats des articles de recherche, des brevets et des bases de données. L'IA générique peut automatiser les processus d'analyse de la littérature, faciliter la recherche documentaire et accélérer la découverte de connaissances dans des domaines de recherche spécifiques, ce qui permet aux scientifiques de se tenir au courant des dernières avancées et de prendre des décisions éclairées en laboratoire.

Résumé

L'intégration de l'IA générative dans l'industrie biotechnologique présente des avantages importants et des préoccupations notables. En tirant parti de l'IA générative, les chercheurs peuvent relever le défi de naviguer dans de vastes quantités de données et d'idées non structurées, d'encourager la pensée divergente et de faciliter la collaboration entre les domaines de recherche de niche. En outre, l'IA générative rationalise divers aspects des opérations des laboratoires de biotechnologie, de l'automatisation de la génération de contenu à l'amélioration de la qualité de la littérature scientifique. Toutefois, les préoccupations concernant la qualité des données et les biais, l'interprétabilité, la fiabilité et la cartographie des données restent pertinentes. Malgré ces difficultés, l'utilisation quotidienne de l'IA générative dans les opérations de laboratoire est prometteuse, car elle permet aux scientifiques d'améliorer l'analyse et l'interprétation des données, d'optimiser la conception et la planification des expériences et d'accélérer l'exploration de la littérature et la découverte de connaissances. Alors que l'IA générative continue d'évoluer, son rôle dans la révolution de la recherche et du développement en biotechnologie est appelé à s'étendre, façonnant l'avenir de la médecine de précision, de la découverte de médicaments et d'autres domaines critiques des sciences de la vie.

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