随着科技的不断进步，生物学研究进入了一个前所未有的数字化时代。虚拟细胞，作为细胞的数字孪生体或全细胞模型，正在成为这场变革的核心驱动力。它们不仅为科学家提供了观察和解析生命奥秘的新视角，更为精准医疗和新药开发带来了革命性的可能。虚拟细胞的研究融合了系统生物学、计算建模、高性能计算以及人工智能技术，真正实现了生物生命过程的完整数字复制。 虚拟细胞的概念并非一蹴而就。它的诞生可追溯到二十世纪五十年代，英国科学家霍奇金和赫胥黎基于电生理数据首次用数学模型描述了神经元的动作电位变化。
他们用简单的四个方程捕捉了神经信号传导的本质，使得生命过程首次在代码中被准确描绘。这一科学突破不仅成为现代生物计算的奠基石，也孕育出后续虚拟细胞复杂建模的理念。 尽管20世纪中后期计算机技术尚不成熟，生物数据相对匮乏，使得全细胞模型的理想难以实现，但学界并未放弃探索。到1999年，日本科学家在极简细菌模型——仅包含127个基因的细胞上尝试构建E-Cell系统，完成了最初级的全细胞模拟雏形。这个模型虽不完善、运行不稳，却成功地证明了细胞生命活动可以被程序化，这一突破为数字生命研究带来希望。 进入21世纪后，基因组测序大规模普及和生物信息学的高速发展为虚拟细胞研究奠定了坚实的数据基础。
2012年，美国西雅图华盛顿大学的一支科研团队对最简单的自由生活细菌——解脲支原体（Mycoplasma genitalium）进行了全面的参数采集和模型构建。他们整合了近千篇文献中的生物反应速率、蛋白质浓度和代谢流量等数据，开发出覆盖28个相互关联模块的完整全细胞计算模型。这一模型首次能够在计算机里模拟细菌的完整生命周期，从基因型预测表型，达成跨时代的科学成就。 这一革命性的成果不仅验证了数字细胞模型在模拟生命活动中的可行性，更改变了人们认知细胞的方式。当研究者对虚拟细胞进行基因删除实验时，发现模型中某些基因丧失致死的结果与现实中的细菌不同，揭示了长期以来生物学注释中的漏洞。虚拟细胞由此从单纯的模拟物转变为揭示生命复杂性的全新“教师”，在生物学研究中担当起校正和指导的角色。
随着计算资源的不断提升和对生命科学理解的深化，研究者们开始迈入合成生物学的领域，试图设计和制造人工细胞。2016年，克雷格·文特尔（J. Craig Venter）团队合成出了JCVI-syn3.0，一个拥有仅473个基因的合成简化细胞。这是迄今为止已知能实现自主生命的最小基因组。奇妙的是，其中约三分之一的基因功能仍未注解，但它们却都是必不可少的，体现了生命未知领域的深邃。 随后，团队将JCVI-syn3.0与全细胞计算模型深度结合，详尽模拟其生命过程。到了2021年，更完整的JCVI-syn3A模型发布，囊括了493个基因及其相互作用，成为迄今为止最详尽的人工微生物数字孪生体。
这些模型为理解最基础的生命机制提供了无价工具，同时为未来利用人工细胞解决医学和工业问题铺垫了道路。 另一方面，以大肠杆菌和酵母菌为对象的复杂全细胞模型也取得显著进展。研究者利用这些模型追踪数千基因的表达与代谢反应，甚至模拟细菌群落的动态行为和个体间的差异性。群体级虚拟细胞模拟揭示了细胞间协作、资源共享及集体决策等多种群体行为，令我们得以窥见群体演化的数字缩影。 虚拟细胞研究领域的突破不仅表现在生物层面，计算技术的迅速发展更是加速推动了该领域的腾飞。2019年以来，人工智能，尤其是深度学习方法，开始被引入到虚拟细胞的构建中。
以变换器（Transformer）架构为核心的新型模型“State”在2025年面世，显著提升了对细胞响应扰动的预测精度。通过在数亿细胞数据上训练，State能够高效模拟基因、药物或环境变化所引起的细胞状态转变，展现出远超传统数学模型的能力。 虚拟细胞的发展也逐步渗透到临床和药物研发领域。美国食品药品监督管理局（FDA）已认可虚拟心肌细胞模型作为心脏药物安全性评价的辅助工具，这为数字细胞模型的监管路径奠定了基础。同时，许多制药企业利用虚拟细胞进行海量药物筛选，缩短实验周期、降低研发成本。数字肿瘤模型已在癌症中心展开试点，用于定制化方案设计，实现个性化医疗的实践飞跃。
此外，为了促进全球科研协作和多尺度建模，斯坦福大学推出了Vivarium平台，提供了基础设施支持多方共享、集成虚拟细胞模型，推动了研究资源的开放和标准化。与此同时，ETH苏黎世的Alps超级计算机以超400 petaflops级别的算力，为虚拟细胞模拟提供了史无前例的运算支持。 研究者们不再满足于被动模拟生命，而是主动设计生物系统，探索生命起源、疾病机制乃至生物工程应用。人类细胞图谱（Human Cell Atlas）的建设，正在为构建具有生理和病理精度的人类虚拟细胞奠定数据基础。未来，结合人工智能，虚拟细胞将成为破解复杂疾病、实现精准医学的关键桥梁。 虚拟细胞的崛起，不仅是科学技术的里程碑，更开启了人与生命深度合作的新篇章。
在数字孪生技术与实验室数据的不断互动下，科研者与虚拟细胞共创知识循环，推动医学与生物学研究进入迭代加速的新时代。 面向未来，虚拟细胞将突破单细胞概念，扩展至多细胞系统、器官甚至整体生物体。其潜力跨越基础研究、药物发现、合成生物学到公共卫生，为生命科学注入前所未有的创新活力。无论是加速新药上市，还是个性化诊疗，虚拟细胞都将成为不可或缺的技术支撑，塑造未来医学的宏大蓝图。数字时代的虚拟细胞，不再是科幻，而是触手可及的现实革命。
