هوش مصنوعی می‌تواند پروتئین‌های کاملاً جدیدی را از ابتدا طراحی کند—وقت آن است که در مورد امنیت زیستی صحبت کنیم

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

دو دهه پیش، مهندسی پروتئین‌های طراح یک رویا بود.

اکنون، به لطف هوش مصنوعی، پروتئین های سفارشی ده ها سکه هستند. پروتئین های سفارشی اغلب دارای اشکال یا اجزای خاصی هستند که به آنها توانایی های جدیدی برای طبیعت می دهد. از داروهای ماندگارتر و واکسن های مبتنی بر پروتئین گرفته تا سوخت های زیستی سبزتر و پلاستیک خوردن پروتئین ها، این میدان به سرعت در حال تبدیل شدن به یک فناوری تحول آفرین است.

طراحی پروتئین سفارشی به تکنیک های یادگیری عمیق بستگی دارد. با مدل‌های زبان بزرگ - هوش مصنوعی پشت پرفروش ChatGPT OpenAI - که میلیون‌ها ساختار فراتر از تصور انسان را رویاپردازی می‌کند، کتابخانه پروتئین‌های طراح زیست فعال به سرعت گسترش می‌یابد.

دکتر نیل کینگ اخیرا در دانشگاه واشنگتن گفت: «این بسیار قدرتمند است گفته شده طبیعت. "چیزهایی که یک سال و نیم پیش غیرممکن بودند - حالا شما فقط آن را انجام دهید."

با این حال، با قدرت بزرگ، مسئولیت بزرگی نیز به همراه دارد. همانطور که پروتئین های جدید طراحی شده به طور فزاینده ای برای استفاده در پزشکی و مهندسی زیستی جذب می شوند، دانشمندان اکنون در این فکر هستند که اگر این فناوری ها برای اهداف شوم استفاده شوند چه اتفاقی می افتد؟

مقاله اخیر در علم نیاز به امنیت زیستی برای پروتئین های طراح را برجسته می کند. نویسندگان می گویند که مانند گفتگوهای جاری در مورد ایمنی هوش مصنوعی، زمان آن رسیده که خطرات و سیاست های امنیت زیستی را در نظر بگیریم تا پروتئین های سفارشی از بین نرود.

این مقاله توسط دو متخصص در این زمینه نوشته شده است. یکی، دکتر دیوید بیکر، مدیر موسسه طراحی پروتئین در دانشگاه واشنگتن، توسعه RoseTTAFold را رهبری کرد - الگوریتمی که مشکل نیم دهه رمزگشایی ساختار پروتئین را از توالی های اسید آمینه آن به تنهایی برطرف کرد. دیگری، دکتر جورج چرچ در دانشکده پزشکی هاروارد، پیشگام در مهندسی ژنتیک و زیست شناسی مصنوعی است.

آنها پیشنهاد می کنند که پروتئین های مصنوعی نیاز به بارکدهایی دارند که در توالی ژنتیکی هر پروتئین جدید تعبیه شده باشد. اگر هر یک از پروتئین های طراح به یک تهدید تبدیل شود - مثلاً به طور بالقوه باعث ایجاد یک شیوع خطرناک شود - بارکد آن ردیابی منشا آن را آسان می کند.

این سیستم اساساً "یک دنباله حسابرسی" را فراهم می کند نوشتن.

جهان ها با هم برخورد می کنند

پروتئین های طراح به طور جدایی ناپذیری با هوش مصنوعی مرتبط هستند. سیاست های بالقوه امنیت زیستی نیز همینطور است.

بیش از یک دهه پیش، آزمایشگاه بیکر از نرم افزاری برای طراحی و ساخت پروتئینی به نام Top7 استفاده کرد. پروتئین ها از بلوک های ساختمانی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده اند که هر کدام از آنها در داخل DNA ما رمزگذاری شده اند. اسیدهای آمینه مانند مهره‌های روی یک ریسمان چرخانده می‌شوند و به شکل‌های سه بعدی چروکیده می‌شوند که اغلب در ساختارهای پیچیده‌ای که از عملکرد پروتئین پشتیبانی می‌کنند، مشبک می‌شوند.

Top7 نمی‌توانست با اجزای سلولی طبیعی "صحبت کند" - هیچ اثر بیولوژیکی نداشت. اما حتی پس از آن، تیم به این نتیجه رسیدند که طراحی پروتئین های جدید امکان کاوش در "مناطق بزرگ جهان پروتئینی را که هنوز در طبیعت مشاهده نشده اند" می دهد.

هوش مصنوعی را وارد کنید. اخیراً استراتژی‌های متعددی برای طراحی پروتئین‌های جدید با سرعت مافوق صوت در مقایسه با کارهای آزمایشگاهی سنتی آغاز شده است.

یکی هوش مصنوعی مبتنی بر ساختار مشابه ابزارهای تولید تصویر مانند DALL-E است. این سیستم‌های هوش مصنوعی بر روی داده‌های پر سر و صدا آموزش دیده‌اند و یاد می‌گیرند که نویز را حذف کنند تا ساختارهای واقعی پروتئین را بیابند. آنها که مدل های انتشار نامیده می شوند، به تدریج ساختارهای پروتئینی سازگار با زیست شناسی را یاد می گیرند.

استراتژی دیگر متکی بر مدل های زبان بزرگ است. مانند ChatGPT، الگوریتم‌ها به سرعت ارتباط بین «کلمات» پروتئینی را پیدا می‌کنند و این ارتباطات را به نوعی دستور زبان بیولوژیکی تقطیر می‌کنند. رشته‌های پروتئینی که این مدل‌ها تولید می‌کنند احتمالاً به ساختارهایی تبدیل می‌شوند که بدن می‌تواند رمزگشایی کند. یک مثال ProtGPT2 است که می تواند مهندسی کند پروتئین‌های فعال با شکل‌هایی که می‌توانند به خواص جدیدی منجر شوند.

دیجیتال به فیزیکی

این برنامه های طراحی پروتئین هوش مصنوعی زنگ خطر را به صدا در می آورند. پروتئین ها بلوک های سازنده زندگی هستند - تغییرات می تواند به طور چشمگیری نحوه واکنش سلول ها به داروها، ویروس ها یا سایر عوامل بیماری زا را تغییر دهد.

سال گذشته، دولت‌های سراسر جهان برنامه‌های خود را برای نظارت بر ایمنی هوش مصنوعی اعلام کردند. این فناوری به عنوان یک تهدید قرار نگرفت. در عوض، قانون‌گذاران با احتیاط سیاست‌هایی را اتخاذ کردند که تضمین می‌کند تحقیقات از قوانین حفظ حریم خصوصی پیروی می‌کنند و اقتصاد، سلامت عمومی و دفاع ملی را تقویت می‌کنند. اتحادیه اروپا به رهبری این اتهام موافقت کرد قانون هوش مصنوعی برای محدود کردن فناوری در حوزه های خاص

پروتئین های مصنوعی مستقیماً در مقررات ذکر نشده بودند. بیکر و چرچ می نویسند که این خبر خوبی برای ساخت پروتئین های طراح است، که می تواند با مقررات بسیار محدود کننده به زانو برسد. با این حال، قانون جدید هوش مصنوعی در حال کار است، با نهاد مشورتی سازمان ملل متحد در زمینه هوش مصنوعی، دستورالعمل هایی را در مورد هوش مصنوعی به اشتراک می گذارد. مقررات بین المللی در اواسط امسال

از آنجایی که سیستم‌های هوش مصنوعی مورد استفاده برای ساخت پروتئین‌های طراح بسیار تخصصی هستند، اگر این میدان در تلاشی جهانی برای خودتنظیمی متحد شود، ممکن است همچنان زیر رادارهای نظارتی پرواز کنند.

در اجلاس ایمنی هوش مصنوعی 2023که در مورد طراحی پروتئین فعال شده با هوش مصنوعی بحث شد، کارشناسان توافق کردند که مستندسازی DNA زیرین هر پروتئین جدید کلیدی است. مانند همتایان طبیعی خود، پروتئین های طراح نیز از کد ژنتیکی ساخته شده اند. ثبت تمام توالی‌های DNA مصنوعی در یک پایگاه داده می‌تواند تشخیص پرچم‌های قرمز را برای طرح‌های بالقوه مضر آسان‌تر کند - به عنوان مثال، اگر یک پروتئین جدید ساختارهایی شبیه به ساختارهای بیماری‌زای شناخته‌شده داشته باشد.

امنیت زیستی به اشتراک گذاری داده ها را از بین نمی برد. همکاری برای علم حیاتی است، اما نویسندگان اذعان دارند که هنوز هم برای محافظت از اسرار تجاری ضروری است. و مانند هوش مصنوعی، برخی از پروتئین های طراح ممکن است به طور بالقوه مفید باشند اما برای به اشتراک گذاشتن آشکار آن بسیار خطرناک هستند.

یکی از راه‌های دور زدن این معما اضافه کردن مستقیم اقدامات ایمنی به خود فرآیند سنتز است. برای مثال، نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که یک بارکد – ساخته شده از حروف تصادفی DNA – به هر توالی ژنتیکی جدید اضافه شود. برای ساخت پروتئین، یک ماشین سنتز دنباله DNA آن را جستجو می کند و تنها زمانی که کد را پیدا کند شروع به ساخت پروتئین می کند.

به عبارت دیگر، طراحان اصلی پروتئین می توانند انتخاب کنند که سنتز را با چه کسی به اشتراک بگذارند - یا اصلاً آن را به اشتراک بگذارند - در حالی که هنوز هم می توانند نتایج خود را در نشریات توصیف کنند.

یک استراتژی بارکد که ساخت پروتئین‌های جدید را به یک ماشین سنتز مرتبط می‌کند، امنیت را افزایش داده و از عوامل بد جلوگیری می‌کند و بازآفرینی محصولات بالقوه خطرناک را دشوار می‌کند.

نویسندگان نوشتند: «اگر یک تهدید بیولوژیکی جدید در هر نقطه از جهان ظاهر شود، توالی‌های DNA مرتبط را می‌توان در منشأ آنها ردیابی کرد.

راه سختی خواهد بود نویسندگان می نویسند که ایمنی پروتئین طراح به حمایت جهانی دانشمندان، مؤسسات تحقیقاتی و دولت ها بستگی دارد. با این حال، موفقیت های قبلی وجود داشته است. گروه‌های جهانی دستورالعمل‌های ایمنی و اشتراک‌گذاری را در زمینه‌های بحث‌برانگیز دیگر، مانند تحقیقات سلول‌های بنیادی، مهندسی ژنتیک، کاشت‌های مغزی و هوش مصنوعی ایجاد کرده‌اند. اگرچه همیشه دنبال نمی شود -نوزادان CRISPR یک نمونه بدنام هستند- در بیشتر موارد این دستورالعمل های بین المللی به پیشبرد تحقیقات پیشرفته به روشی ایمن و عادلانه کمک کرده است.

از نظر بیکر و چرچ، بحث های باز در مورد امنیت زیستی باعث کاهش سرعت این حوزه نمی شود. بلکه می‌تواند بخش‌های مختلف را جمع کند و بحث‌های عمومی را درگیر کند تا طراحی پروتئین سفارشی بتواند بیشتر پیشرفت کند.

تصویر های اعتباری: دانشگاه واشنگتن