虚拟细胞的实现：最小人造细胞JCVI-syn3A的数字克隆｜免疫复杂性读书会第15期

导语

从26个参数的宇宙模型，到基于大模型（数据驱动+参数拟合）和第一性原理高空间分辨率全细胞周期极简细胞的数字孪生尝试，当代人类在最近数百年科技迅猛推进之下，对自然界的认识已经建立在一个人类文明史上前所未有的时代。本期读书会为免疫复杂性读书会第16期，国际虚拟细胞挑战赛2025冠军团队领队、百图生科技术总监郭玉成副研究员将在本期介绍基于极简细胞JCVI-syn3A构建首个全细胞周期时空分辨率虚拟细胞（4DWCM）的方法论，并由之出发讨论虚拟免疫的挑战与前景。

集智俱乐部联合广州市荔湾中心医院秦健勇医生、四川大学生物医学工程学院敖平教授、天津工业大学数学科学学院雷锦志教授、中山大学附属肿瘤医院张晓实教授以及中国科技大学生命科学院博士生秦晓玉共同发起，以免疫学为具体场景，以复杂科学为方法论，试图整合范式转型与理论构建、机制研究与数理建模、药物研发和临床实践以肿瘤免疫治疗为核心问题探讨21世纪生命科学认知范式转型的关键细节。

自2026年4月13日启动，每周一晚19：30-21：30进行，持续时间预计26周。欢迎对肿瘤免疫学、系统生物学、复杂网络与数学生物学交叉领域感兴趣的朋友加入！

报告简介

细胞的生命活动，是一个在三维空间与时间维度（4D）上高度协同的复杂物理化学过程。能否在计算机中把这一过程完整地“跑”一遍，构建可预测、可干预的"虚拟细胞"，是破译生命底层运行法则的终极目标之一。

本报告以 2026 年 4 月发表于《Cell》的里程碑式研究 Bringing the genetically minimal cell to life on a computer in 4D 为核心，介绍研究者如何为人工合成的极简细胞JCVI-syn3A（543 kbp、493 个基因）构建首个兼具空间分辨率、又覆盖完整细胞周期的全细胞模型（4DWCM）。报告将拆解其方法学内核——把反应-扩散主方程、化学主方程、代谢常微分方程与染色体布朗动力学四类算法缝合为一个整体，使基因表达、代谢、染色体复制与生长分裂在同一套时钟下实时对话；并通过起点/终点比（ori:ter）、倍增时间、mRNA 半衰期分布、大分子复合物计数等独立实验指标检验其可信度。我们将看到，细胞的随机性与子代异质性并非被人为假设进去，而是从底层物理中自动涌现；同时也会正视这项工作尚未解决的问题：蛋白质普遍低产、染色体分配仍依赖人为施加的约束力、大量动力学参数跨物种借用，以及 50 个细胞就要消耗约 625 GPU·天的算力代价。这些"没做成的部分"，恰恰最能说明空间异质性与全生命周期建模的真实难度所在。

报告后半程将把尺度从一个细胞放大到整个人体，转向免疫系统数字孪生这条方向相反的技术路线：为什么单细胞组学的数据爆炸没有换来同比例的临床转化？数据驱动模型与机制模型各自的能力边界在哪里？脓毒症、类风湿关节炎、肿瘤与药物研发四个范式目前真实的成熟度与监管进展如何？

最后，报告将尝试把两条路线接起来：以基于物理化学机制的全细胞模型作为理论约束底座，前瞻性地融合海量单细胞多组学数据与预训练大模型，在高性能分布式计算集群的加持下，为未来开发具备强泛化能力的通用型"虚拟细胞"大模型，提供一种破局思路与工程参考。

分享大纲

第一部分：在计算机中重现最小细胞的完整生命周期

1. 全细胞模拟的目标与三重障碍：尺度跨越 10 个数量级、空间不可忽略、数据无法一次测全

2. 研究对象 JCVI-syn3A：为什么"最小"并不等于"最好用"

3. 4DWCM 的准确定位：与全原子结构模型、通量平衡分析（FBA）、既有全细胞模型的分野

4. 模型的四大模块，以及模块之间的实时通信

5. 核心方法学：RDME / CME / ODE / 布朗动力学的混合，与每 12.5 毫秒一次的"握手"

6. 生长与形态：由膜物质掺入驱动，被荧光成像约束

7. 染色体动力学与 DNA 复制：与代谢 dNTP 池的实时耦合

8. 验证之一：ori:ter 比值 1.28（模型）vs. 1.21（测序），以及 B/C/D 三段时序

9. 验证之二：倍增时间、复合物计数与 mRNA 半衰期

第二部分：免疫系统的数字孪生与复杂疾病

1. 什么是免疫数字孪生（IDT）：双向数据反馈的虚拟患者

2. 为什么偏偏是免疫系统？以及它比心脏孪生难在哪

3. 转化困境：模式识别 ≠ 因果机制

4. 两条建模路线的分野：机制模型可"正向播放"外推、"反向播放"溯因

5. 出路：混合建模工作流，终点是免疫系统的"理性重编程"

6. 四个临床范式：脓毒症与感染性肺炎、类风湿关节炎、肿瘤、药物研发与监管破冰

7. 挑战、工程标准（FAIR / SBML / IEC 62304）与尚无答案的伦理问题

总结与讨论

• 两篇背景截然不同的文献，给出了同一个判断：AI 负责把数据拼成快照，机制模型负责解释快照之间的演化

• 面向通用"虚拟细胞"大模型的展望与讨论

核心概念

4D 全细胞模型（4DWCM）：三维空间 + 时间，在完整细胞周期内推进细胞全部分子状态的动力学模型。

JCVI-syn3A：人工合成的极简细胞，543 kbp 单条环状染色体、493 个基因、倍增时间 105 分钟；由基因数更少但分裂紊乱的 syn3.0 补回分裂相关基因而来。

混合算法：RDME（空间随机反应扩散，10 nm 晶格）+ CME（充分混合随机反应）+ ODE（代谢动力学，非 FBA）+ 布朗动力学（染色体聚合物）四者实时耦合。

空间异质性：细胞不是搅拌均匀的反应器；低拷贝数分子必须在三维空间中真正“相遇”才反应，位置与浓度同等重要。

涌现的随机性：子细胞之间的差异无需额外假设，由分子扩散与分裂几何自动产生——充分混合模型原理上给不出这类结论。

ori:ter 比值：复制起点与终点的测序读段深度之比，是细胞周期时序的"动力学指纹"，用作模型的独立检验量。

多保真度建模：用昂贵的高保真 4D 模型去标定和约束廉价的简化模型，打通不同复杂度层级。

数字孪生（DT）：患者或其某一状态的虚拟表征，核心特征是真实个体与虚拟个体之间的双向数据反馈。

数据驱动 vs 机制模型：前者擅长在训练范围内识别模式，后者可外推到未训练条件，并反向定位驱动结局的参数。

计算机临床试验：将虚拟患者复制为群体，用于配合甚至设计真实世界试验（in silico clinical trial）。

理性免疫重编程：免疫建模的终极目标：对炎症实现闭环、自适应的调控，而非被动观察。

主讲人介绍

主讲人：郭玉成，副研究员，百图生科技术总监，清华大学自动化系博士，主要研究方向为人工智能与生物信息学，主要负责基因组、单细胞、虚拟细胞等基座模型研发，长期致力于AI在生命科学与医疗领域的应用。曾以第一作者(共同)发表学术论文8篇，申请发明专利10余项，授权发明专利6项，研究成果曾发表在Nature Communications，Cancer Research、ACS Synthetic Biology、Front. Pharmacol.、Histopathology、Front Oncol.等期刊和AAAI等会议。

参考文献

（1） Thornburg, Z. R. et al. Bringing the genetically minimal cell to life on a computer in 4D. Cell 0, (2026).

（2） Niarakis, A., Laubenbacher, R., An, G. et al. Immune digital twins for complex human pathologies: applications, limitations, and challenges. npj Syst Biol Appl 10, 141 (2024).

（3） Vodovotz, Y. Towards systems immunology of critical illness at scale: from single cell 'omics to digital twins. Trends Immunol 44(5), 345–355 (2023).

读书会在做什么

免疫复杂性读书会，从2026年4月13日开始，每周一晚19：30，连续半年，聚焦免疫复杂性主题。

读书会主题划分为三个模块：

【导言】生命科学范式漫谈

由资深生命科学研究者朱景德教授激情畅谈复杂系统范式对于生命科学研究的意义。

【机制解读篇】

由中国学者敖平教授介绍基于普适的达尔文演化力学这个第一性原理发展起来内源性网络理论在理解复杂生命现象中的应用；这部分的整体架构是以EVO-DEV-ECO框架展开的，邀请国内研究免疫机制演化和发育的顶尖团队，分享他们的研究成果。同时对免疫机制的核心问题如免疫代谢、T细胞功能调控网络、神经-免疫的对话由长期关注此问题的资深学者展开探讨。

范式转换需以方法论为基础，由在此领域深耕的青年才俊介绍干湿结合的生物学机制研究方法，免疫稳态与免疫韧性是免疫健康的主旋律，我们也尝试基于复杂科学视角尝试对其进行解读……

【数理建模篇】

数学本质上是一种对认知进行准确描述和具有很强逻辑性的语言，由通用的数学符号体系建立起来的数学语言作为科学基础的工具为人类深化对自然界的认知起了不可或缺的作用，数学在不断演化中发展，同时不断拓展着人类的认知边疆。

不少物理学家都曾感叹数学不可思议的有效性，数学，尤其是对称性思想在构建物理学宏伟大厦的过程中是不可缺少的工具。数学在科学发展史上的巨大作用，使得科学家们又尝试以数学工具介入对生命现象的探索，但又难免惆怅：喟叹其不可思议的无效性。

癌生物学家 Robert Weinberg 提出“数学能否帮助人们理解生物系统复杂行为的合理性”这样一个极具挑战的问题。应用数学家林家翘先生提出“20世纪的应用数学聚焦于物理学问题，21世纪的应用数学数学应致力解决生物学问题”，预示了数学与生命科学交叉融合的重要性。在数理建模篇，将由国内一流的数学生物学团队介绍他们在这一领域的探索，侧重于肿瘤免疫相互作用的数学建模，尝试通过机理与数据驱动相结合的研究手段，采用微分方程组(随机或确定性)并结合随机模拟来描述肿瘤免疫响应的动力学演变过程。

虚拟细胞在当前AI高歌猛进的时代背景下似乎成了时代的宠儿——2026年伊始，最小人造细胞JCVI-syn3A的数字克隆取得新的进展——虚拟细胞精确复现了细胞分裂动力学周期和关键事件。虚拟细胞是理解生命现象的前沿领域，被寄希望应用于药物研发和临床药理学领域。本次读书会邀请到了首届全球虚拟细胞大赛冠军团队百图生科技术副总监郭玉成博士，他将对该次突破性虚拟细胞建模的技术路线进行解读，郭玉成博士目前已经着手在实验室复现此次虚拟细胞的动力学过程。

【工程技术篇】

这一模块将从国药之光康方生物双抗类药物的研发实践开始，讨论免疫调节工具研发的工程实践，药物的临床验证和优化使用情况。最后聚焦到临床痛点，宿主治疗响应的评估与监测，提高药物有效率的联合治疗和系统管理策略。

模块的设计初衷是希望通过系统回顾双特异性抗体的研发逻辑、PD-1抑制剂的临床药理、免疫紊乱的抗炎治疗、情绪应激与免疫应答之间的机制，结合几个具体的典型案例，来讨论：

宿主免疫对治疗响应的监控与控制，

如何优化肿瘤免疫联合治疗方案？

进而在本模块跨学科讨论的基础上回归到第一性原理，探讨新生物视角下临床困境的出路和科学探索方向。

【总结】

由在肿瘤免疫学领域深耕20余年的张晓实教授主持讨论，主题是“提高肿瘤免疫治疗应答率的联合用药策略和系统管理框架”。

时间信息

2026年8月3日（周一）晚19:30-21:30，腾讯会议线上进行，感兴趣的朋友扫码报名加入免疫复杂性读书会后，可进入学员群进行交流。

报名读书会：

「免疫复杂性读书会：范式、理论与工具」

，是一个以免疫现象为核心场景，以复杂科学为方法论，试图整合机制研究、数理建模、研发和临床实践问题来思考21世纪生命科学认知范式转型的跨学科研讨社群。

讲者们来自各自领域的一线前沿，将基于自己长期的工作积淀与思考展开演讲，同时提供精要的参考文献。

本读书会将围绕一个临床问题——如何优化以免疫治疗为中心的控瘤策略？——来展开讨论。

试图以范式思考与理论建模视角，回归到第一性原理的起点，去重构认知框架，激发对话与洞见。

发起人团队认为，将免疫系统视为动态复杂适应性网络，基于认知范式思考肿瘤免疫治疗的瓶颈——或能对当前免疫治疗的困境有所突破，构建出一套有效的联合治疗原则性框架，为临床实践提供指引。

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报名方式

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第二步：填写信息后，付费报名。如需用支付宝支付，请在PC端进入读书会页面报名支付：

第三步：添加运营助理微信，拉入对应主题的读书会社区（微信群）。

PS：

我们鼓励围绕系统肿瘤免疫学、系统生物学、复杂网络与数学生物学及相关具体问题的深入探讨。为保证讨论质量，请避免发表脱离本期读书会主题、缺乏实证基础或过于空泛的哲学思辨类内容。

若讨论内容明显偏离主题，经主持人提醒后仍未调整，为维护整体学习环境，我们将不得不将该成员请出讨论群，并根据其实际参与进度，对未参与部分按比例办理退费。

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