Progressive Multi-Agent Reasoning for Biological Perturbation Prediction

计算机科学 摄动(天文学) 人工智能 水准点(测量) 生物网络 任务(项目管理) 理论计算机科学 机器学习 生物学数据 系统生物学 钥匙(锁) 生物有机体 基因调控网络
作者
Hyomin Kim,Sang-Yeon Hwang,Jaechang Lim,Yinhua Piao,Yunhak Oh,Woo Youn Kim,Chanyoung Park,Sungsoo Ahn,Junhyeok Jeon
摘要

Predicting gene regulation responses to biological perturbations requires reasoning about underlying biological causalities. While large language models (LLMs) show promise for such tasks, they are often overwhelmed by the entangled nature of high-dimensional perturbation results. Moreover, recent works have primarily focused on genetic perturbations in single-cell experiments, leaving bulk-cell chemical perturbations, which is central to drug discovery, largely unexplored. Motivated by this, we present LINCSQA, a novel benchmark for predicting target gene regulation under complex chemical perturbations in bulk-cell environments. We further propose PBio-Agent, a multi-agent framework that integrates difficulty-aware task sequencing with iterative knowledge refinement. Our key insight is that genes affected by the same perturbation share causal structure, allowing confidently predicted genes to contextualize more challenging cases. The framework employs specialized agents enriched with biological knowledge graphs, while a synthesis agent integrates outputs and specialized judges ensure logical coherence. PBio-Agent outperforms existing baselines on both LINCSQA and PerturbQA, enabling even smaller models to predict and explain complex biological processes without additional training.
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