AI Can Design Totally New Proteins From Scratch—It’s Time To Talk Biosecurity

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Kaks aastakümmet tagasi oli disainervalgud unistus.

Tänu tehisintellektile on kohandatud valgud nüüd kümmekond peenraha. Eritellimusel valmistatud valgud neil on sageli spetsiifilised kujundid või komponendid, mis annavad neile loodusele uusi võimeid. Alates kauakestvatest ravimitest ja valgupõhistest vaktsiinidest kuni rohelisemate biokütusteni ja plastikust söömine valkude puhul on see valdkond kiiresti muutumas transformatiivseks tehnoloogiaks.

Kohandatud valgukujundus sõltub sügavast õppimistehnikast. Kuna suured keelemudelid – OpenAI kassahiti ChatGPT taga olev tehisintellekt – unistavad miljoneid struktuure väljaspool inimese kujutlusvõimet, peaks bioaktiivsete disainervalkude raamatukogu kiiresti laienema.

"See annab tohutult jõudu," dr Neil King Washingtoni ülikoolist hiljuti ütles loodus. "Asjad, mis olid poolteist aastat tagasi võimatud – nüüd teete seda lihtsalt."

Kuid suure jõuga kaasneb suur vastutus. Kuna äsja disainitud valgud saavad meditsiinis ja biotehnoloogias kasutamiseks üha enam tõmbejõudu, mõtlevad teadlased nüüd: mis juhtub, kui neid tehnoloogiaid kasutatakse pahatahtlikel eesmärkidel?

Hiljutine essee teadus rõhutab disainivalkude bioohutuse vajadust. Sarnaselt käimasolevatele vestlustele tehisintellekti ohutuse üle väidavad autorid, et on aeg kaaluda bioturvalisuse riske ja poliitikaid, et kohandatud valgud ei läheks petturlikuks.

Essee on kirjutanud kaks oma ala asjatundjat. Üks, dr David Baker, direktor Valguinstituudi instituut Washingtoni ülikoolis juhtis RoseTTAFoldi väljatöötamist – algoritmi, mis murdis poole aastakümne probleemi dekodeerida valgu struktuuri ainult selle aminohappejärjestuste põhjal. Teine, Dr George Church Harvardi meditsiinikoolist, on geenitehnoloogia ja sünteetilise bioloogia pioneer.

Nad viitavad sellele, et sünteetilised valgud vajavad iga uue valgu geneetilisesse järjestusse manustatud vöötkoode. Kui mõni disainervalk muutub ohuks – näiteks võib potentsiaalselt käivitada ohtliku haiguspuhangu –, oleks selle vöötkoodi abil lihtne selle päritolu tuvastada.

Süsteem pakub põhimõtteliselt "kontrolljälge", duot kirjutama.

Maailmad põrkuvad

Disainervalgud on AI-ga lahutamatult seotud. Nii ka potentsiaalsed bioohutuspoliitikad.

Üle kümne aasta tagasi kasutas Bakeri labor Top7-ks nimetatud valgu kavandamiseks ja ehitamiseks tarkvara. Valgud koosnevad ehitusplokkidest, mida nimetatakse aminohapeteks ja millest igaüks on kodeeritud meie DNA-s. Nagu helmed nööril, keerutatakse ja kortsutatakse aminohapped spetsiifilisteks 3D-kujunditeks, mis sageli haarduvad veelgi keerukatesse arhitektuuridesse, mis toetavad valgu funktsiooni.

Top7 ei saanud "rääkida" looduslike rakukomponentidega – sellel ei olnud mingeid bioloogilisi mõjusid. Kuid isegi siis meeskond sõlmitud et uute valkude kujundamine võimaldab uurida "valguuniversumi suuri piirkondi, mida looduses veel ei täheldata".

Sisestage AI. Hiljuti võeti kasutusele mitu strateegiat uute valkude kujundamiseks ülehelikiirusel võrreldes traditsioonilise laboritööga.

Üks neist on struktuuripõhine tehisintellekt, mis sarnaneb pildi loomise tööriistadega, nagu DALL-E. Neid tehisintellektisüsteeme õpetatakse kasutama mürarikkaid andmeid ja nad õpivad müra eemaldama, et leida realistlikud valgustruktuurid. Neid nimetatakse difusioonimudeliteks ja nad õpivad järk-järgult bioloogiaga ühilduvaid valgu struktuure.

Teine strateegia tugineb suurtele keelemudelitele. Nagu ChatGPT, leiavad algoritmid kiiresti seoseid valgu "sõnade" vahel ja destilleerivad need seosed omamoodi bioloogiliseks grammatikaks. Nende mudelite genereeritud valguahelad voldivad tõenäoliselt struktuurideks, mida keha saab dešifreerida. Üks näide on ProtGPT2, mis oskab insener aktiivsed valgud, mille kuju võib viia uute omadusteni.

Digitaalne füüsiliseks

Need AI valgu kujundamise programmid kutsuvad häirekellasid. Valgud on elu ehituskivid – muutused võivad dramaatiliselt muuta seda, kuidas rakud reageerivad ravimitele, viirustele või muudele patogeenidele.

Eelmisel aastal teatasid valitsused üle maailma, et kavatsevad teha järelevalvet tehisintellekti ohutuse üle. Tehnoloogiat ei positsioneeritud ohuna. Selle asemel täpsustasid seadusandjad ettevaatlikult poliitikaid, mis tagavad, et teadusuuringud järgivad privaatsusseadusi ning tugevdavad majandust, rahvatervist ja riigikaitset. Süüdistuse eestvedamisel leppis Euroopa Liit kokku AI seadus piirata tehnoloogiat teatud valdkondades.

Sünteetilisi valke eeskirjades otseselt välja ei kutsutud. Baker ja Church kirjutavad, et see on suurepärane uudis disainervalkude valmistamisel, mida liiga piirav regulatsioon võib takistada. Uued tehisintellekti õigusaktid on aga väljatöötamisel ning ÜRO tehisintellekti nõuandeorgan kavatseb jagada juhiseid rahvusvaheline regulatsioon selle aasta keskel.

Kuna disainervalkude valmistamiseks kasutatavad tehisintellektisüsteemid on väga spetsialiseerunud, võivad need siiski lennata reguleerivate radarite all – kui väli ühineb globaalsetes isereguleeruvates jõupingutustes.

Kell 2023. aasta AI ohutuse tippkohtumine, kus arutati AI-toega valgu disaini, leppisid eksperdid kokku, et iga uue valgu aluseks oleva DNA dokumenteerimine on võtmetähtsusega. Nagu nende looduslikud kolleegid, on ka disainervalgud üles ehitatud geneetilisest koodist. Kõigi sünteetiliste DNA järjestuste logimine andmebaasi võib hõlbustada potentsiaalselt kahjulike kujunduste punaste lippude tuvastamist – näiteks kui uue valgu struktuur on sarnane teadaolevate patogeensetega.

Bioturvalisus ei piira andmete jagamist. Koostöö on teaduse jaoks kriitilise tähtsusega, kuid autorid tunnistavad, et ärisaladuste kaitsmine on endiselt vajalik. Ja nagu AI puhul, võivad mõned disainervalgud olla potentsiaalselt kasulikud, kuid liiga ohtlikud, et neid avalikult jagada.

Üks võimalus sellest mõistatusest mööda minna on otse sünteesiprotsessile ohutusmeetmete lisamine. Näiteks soovitavad autorid lisada igale uuele geneetilisele järjestusele vöötkoodi, mis koosneb juhuslikest DNA tähtedest. Valgu ehitamiseks otsib sünteesimasin selle DNA järjestust ja alles siis, kui see koodi leiab, hakkab see valku üles ehitama.

Teisisõnu, valgu algsed disainerid saavad valida, kellega sünteesi jagada – või kas seda üldse jagada –, kuid siiski saavad oma tulemusi publikatsioonides kirjeldada.

Vöötkoodistrateegia, mis seob uute valkude valmistamise sünteesimasinaga, suurendaks ka turvalisust ja hoiaks ära halvad näitlejad, muutes potentsiaalselt ohtlike toodete taasloomise keeruliseks.

"Kui kusagil maailmas ilmneb uus bioloogiline oht, saab sellega seotud DNA järjestusi jälgida nende päritoluni," kirjutasid autorid.

See saab olema raske tee. Autorid kirjutavad, et disainervalgu ohutus sõltub teadlaste, uurimisasutuste ja valitsuste ülemaailmsest toetusest. Siiski on olnud ka varasemaid õnnestumisi. Ülemaailmsed rühmad on kehtestanud ohutus- ja jagamisjuhised muudes vastuolulistes valdkondades, nagu tüvirakkude uurimine, geenitehnoloogia, ajuimplantaadid ja tehisintellekt. Kuigi seda ei järgita alati –CRISPR-i beebid on kurikuulus näide— enamasti on need rahvusvahelised suunised aidanud viia tipptasemel teadusuuringud ohutult ja õiglaselt edasi.

Bakeri ja Churchi arvates ei aeglusta avatud arutelud bioohutuse üle valdkonda. Pigem võib see koondada erinevaid sektoreid ja kaasata avalikku arutelu, et kohandatud valgukujundus saaks veelgi areneda.

Image Credit: Washingtoni Ülikool