农业基因体大数据加上人工智能 精准医疗的弯道超车策略

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随着次世代定序(next generation sequencing, NGS)技术的诞生,定序成本下降,巨量基因体数据的产生不断加快。这些技术除了加速医学领域的发展,更扩大应用于其他生物相关领域,例如农业、畜牧业、环境与能源等。然而,由于 NGS 产生的大量数据动辄数十亿至数千亿个碱基(10+GB~1000+GB),如果没有强大的运算资源以及分析能力,资料将无法有效地被处理、整合和分析,也无法发挥其价值。

因此,若能结合生医产业对于基因子据的了解以及资通讯公司在资料运算、处理的优势,不仅能缩短数据产出、管理和应用的时程,将可在定序大数据的矿坑中,找到黄金。

整合基因定序与资通讯专长 打造精准种猪农业

台湾的畜牧业已跳脱以往以观察性状为主的产品开发模式,而是利用基因技术和大数据分析进一步掌握生物最基本的基因功能,并应用于改善畜牧业的产量、品质、营养价值与疾病防治。其中一个成功的最佳实例是基龙米克斯携手华硕云端暨华硕健康(简称华硕云端)的种猪基因组计画,透过有效分析基因子据帮助猪只选育,提升种猪品系育种的准确度、缩短时程,加速育种脚步。

双方合作的契机源自于2018 年由基龙米克斯游卓远董事长提出“全基因组机器学习关联性分析法开发种猪性能检定技术专案”(简称种猪基因组计画),该计画由经济部产业升级创新平台辅导计画补助,整合华硕云端(产)、畜产试验所(官)、宜兰大学及屏东科技大学(学)、资策会及国网中心(研)跨领域研究能量。透过全基因组定序(WGS)先进分子检测技术及数量遗传分析资讯,建立种猪育种技术平台,结合机器学习(machine learning)和 AI 技术,协助种猪产业选配基因优异的种猪,达到“精准畜产农业”的目标。

“台湾顶尖的资讯公司具有全球性、区域性和本地化的专业视角,并且拥有专业的资通讯基础设施和大数据分析技术与平台,如果能够结合基因相关的实质数据及其应用,不仅帮助自身有更多元的发展,更能与生医产业一起推动精准农业和医疗的发展。”华硕云端吴汉章总经理提到。

另外一方面,基龙米克斯游卓远董事长也表示,“目前台湾许多生技公司缺乏足够的资源和能力来整合这些基因体大数据,更何况是建立数据库,所以跨领域合作是必然的出路。”

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以生物医学的角度分析种猪生物标记,以资讯工程工具解决问题

此计画目前已收录超过 2,500 头猪只的检体,运用全基因定序(WGS)、生物芯片(microarray)等全基因性能检定分析,蒐集基因子据,并运用全基因组关联性分析(GWAS)及机器学习方法,降低基因位点挑选的伪阳性(false positive),增加模型预测的准确性。最后分别在生长、繁殖、肉质及基因缺陷上找到可用于新生猪筛检的位点,建立辨识猪仔生长的预测模型,透过预测模型量化成可比较数值,做为各猪只评比指数,借此选拔出具备优良性能的后代。

“在这过程中,不该由资讯工程的角度,而是以生物医学的角度来定义及提出问题,但可以用资讯工程的工具来解决问题”华硕云端吴汉章总经理提到。由基龙米克斯将数据使用方法、目的及想要解决的问题分享给华硕云端,再由后者透过资讯工程技术来解决。例如,基龙米克斯想要缩短数据处理和分析的时程,华硕云端提供云端运算和数据模型工具,协助助基龙米克斯达成此目标。

精准医学遇三大挑战 先从精准种猪下手

“然而,为何基龙米克斯和华硕云端要先从种猪定序数据下手?因为种猪基因体数据不像人类基因体数据有许多限制”吴汉章总经理和游卓远董事长异口同声地提到。如果要从人体医学大数据着手,其数据应用往往会面临三大困难和限制:

1. 基因体数据受到个资法等其他法规的约束,资料流通性受限阻碍精准医疗的发展
2. 医疗机构是非营利单位,难以提供大量资金给研究人员进行研发,使得创新难度增高。
3. 现有的健保制度还不能支付创新的医疗服务,民间保险对于创新技术也较保守。

复制种猪定序大数据成功模式 实现精准医疗弯道超车

因为个资法的保护和医院营利、保险的三大限制,取得 20 万笔人类基因体定序数据相当困难,但台湾约有五百万头猪,资料的蒐集可望由目前的 2500 笔资料增加到 20 万头猪的定序数据,除了增加统计检定的效力外,亦能在进入精准医疗之前先练兵,提升大数据分析管理技术的速度和品质,未来将可复制此成功模式到临床医学,缩短研究摸索的时间,尽早达到精准医疗的目标。

游董事长表示“十年前,若提到要建立基因数据库,吸引非常多的目光,但定序成本太高,以至于大多数都失败了。然而,随着定序技术的进步和大数据管理和分析技术越来越成熟,现在反而是建立基因数据库很好的时机点。我们先从种猪产出、处理、管理做好准备,期望在精准医疗弯道超车,让疾病的预防与诊疗能够更为精准与快速;未来也能应用在其他农业及畜产领域,透过这些数据与应用,提升国内畜产农业的产值及市场价值,增加国际竞争力。”

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