בינה מלאכותית יכולה לעצב חלבונים חדשים לגמרי מאפס - הגיע הזמן לדבר על אבטחה ביולוגית

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

לפני שני עשורים, חלבוני מעצבים הנדסיים היו חלום.

עכשיו, הודות לבינה מלאכותית, חלבונים מותאמים אישית הם אגורה של תריסר. חלבונים לפי הזמנה לעתים קרובות יש צורות או רכיבים ספציפיים המעניקים להם יכולות חדשות לטבע. מתרופות לטווח ארוך יותר וחיסונים מבוססי חלבון, לדלק ביולוגי ירוק יותר ו אכילת פלסטיק חלבונים, התחום הופך במהירות לטכנולוגיה טרנספורמטיבית.

עיצוב חלבון מותאם אישית תלוי בטכניקות למידה עמוקה. עם מודלים של שפה גדולים - הבינה המלאכותית שמאחורי שובר הקופות ChatGPT של OpenAI - חולמים מיליוני מבנים מעבר לדמיון האנושי, ספריית חלבוני המעצבים הביו-אקטיביים אמורה להתרחב במהירות.

"זה מעצים מאוד", ד"ר ניל קינג מאוניברסיטת וושינגטון לאחרונה אמר לי טבע. "דברים שהיו בלתי אפשריים לפני שנה וחצי - עכשיו אתה פשוט עושה את זה."

אבל עם כוח גדול באה אחריות גדולה. ככל שחלבונים חדשים שתוכננו זוכים יותר ויותר לשימוש ברפואה וביו-הנדסה, מדענים תוהים כעת: מה קורה אם הטכנולוגיות הללו משמשות למטרות מרושעות?

חיבור אחרון ב מדע מדגיש את הצורך באבטחה ביולוגית עבור חלבוני מעצבים. בדומה לשיחות מתמשכות על בטיחות בינה מלאכותית, הכותבים אומרים שהגיע הזמן לשקול סיכוני אבטחה ביולוגית ומדיניות כדי שחלבונים מותאמים אישית לא יתמוטטו.

החיבור נכתב על ידי שני מומחים בתחום. האחד, ד"ר דיוויד בייקר, מנהל הארגון המכון לעיצוב חלבונים באוניברסיטת וושינגטון, הוביל את הפיתוח של RoseTTAFold - אלגוריתם שפצח את בעיית חצי העשור של פענוח מבנה החלבון מרצפי חומצות האמינו שלו בלבד. השני, ד"ר ג'ורג' צ'רץ' בבית הספר לרפואה בהרווארד, הוא חלוץ בהנדסה גנטית וביולוגיה סינתטית.

הם מציעים שחלבונים סינתטיים זקוקים לברקודים המוטמעים ברצף הגנטי של כל חלבון חדש. אם אחד מהחלבונים המעצבים הופך לאיום - נניח, העלול לגרום להתפרצות מסוכנת - הברקוד שלו יקל על המעקב אחר מקורו.

המערכת בעצם מספקת "שביל ביקורת", הצמד לכתוב.

עולמות מתנגשים

חלבוני מעצבים קשורים קשר בל יינתק לבינה מלאכותית. כך גם מדיניות אבטחה ביולוגית אפשרית.

לפני למעלה מעשור, המעבדה של בייקר השתמשה בתוכנה כדי לעצב ולבנות חלבון שזכה לכינוי Top7. חלבונים עשויים מאבני בניין הנקראות חומצות אמינו, שכל אחת מהן מקודדת בתוך ה-DNA שלנו. כמו חרוזים על חוט, חומצות אמינו מסובבות ומקומטות לאחר מכן לצורות תלת-ממדיות ספציפיות, שלעתים קרובות משתלבות יותר בארכיטקטורות מתוחכמות התומכות בתפקוד החלבון.

Top7 לא יכול היה "לדבר" עם רכיבי תאים טבעיים - לא היו לו השפעות ביולוגיות. אבל גם אז, הצוות הגיע למסקנה שעיצוב חלבונים חדשים מאפשר לחקור את "האזורים הגדולים של יקום החלבונים שטרם נצפו בטבע".

הזן AI. לאחרונה המריאו אסטרטגיות מרובות לעיצוב חלבונים חדשים במהירויות על-קוליות בהשוואה לעבודת מעבדה מסורתית.

האחד הוא AI מבוסס מבנה בדומה לכלים לייצור תמונות כמו DALL-E. מערכות AI אלו מאומנות על נתונים רועשים ולומדות להסיר את הרעש כדי למצוא מבני חלבון מציאותיים. הנקראים מודלים של דיפוזיה, הם לומדים בהדרגה מבני חלבון התואמים לביולוגיה.

אסטרטגיה נוספת מסתמכת על מודלים של שפה גדולים. כמו ChatGPT, האלגוריתמים מוצאים במהירות קשרים בין "מילים" חלבון ומזקקים את הקשרים הללו למעין דקדוק ביולוגי. גדילי החלבון שהמודלים האלה מייצרים עשויים להתקפל למבנים שהגוף יכול לפענח. דוגמא אחת הוא ProtGPT2, אשר יכול להנדס חלבונים פעילים בעלי צורות שיכולות להוביל לתכונות חדשות.

דיגיטלי לפיזי

תוכניות עיצוב חלבון AI אלה מעוררות פעמוני אזעקה. חלבונים הם אבני הבניין של החיים - שינויים יכולים לשנות באופן דרמטי את האופן שבו תאים מגיבים לתרופות, וירוסים או פתוגנים אחרים.

בשנה שעברה, ממשלות ברחבי העולם הכריזו על תוכניות לפקח על בטיחות AI. הטכנולוגיה לא הוצבה כאיום. במקום זאת, המחוקקים פיתחו בזהירות מדיניות המבטיחה שהמחקר עומד בחוקי הפרטיות ומחזק את הכלכלה, בריאות הציבור וההגנה הלאומית. האיחוד האירופי הוביל את ההאשמה חוק AI להגביל את הטכנולוגיה בתחומים מסוימים.

חלבונים סינתטיים לא נקראו ישירות בתקנות. אלה חדשות נהדרות לייצור חלבוני מעצבים, שעלולים להיפגע על ידי רגולציה מגבילה מדי, כותבים בייקר וצ'רץ'. עם זאת, חקיקה חדשה בבינה מלאכותית נמצאת בעבודות, כאשר הגוף המייעץ של האו"ם בנושא בינה מלאכותית אמור לחלוק הנחיות בנושא רגולציה בינלאומית באמצע שנה זו.

מכיוון שמערכות הבינה המלאכותית המשמשות לייצור חלבוני מעצבים הן מאוד מיוחדות, הן עדיין עשויות לטוס תחת מכ"מים רגולטוריים - אם התחום יתאחד במאמץ עולמי לוויסות עצמי.

ב פסגת בטיחות בינה מלאכותית 2023, שאכן דנו בעיצוב חלבון המאפשר AI, מומחים הסכימו שתיעוד ה-DNA הבסיסי של כל חלבון חדש הוא המפתח. כמו עמיתיהם הטבעיים, גם חלבוני מעצבים בנויים מקוד גנטי. רישום כל רצפי ה-DNA הסינתטיים במסד נתונים יכול להקל על זיהוי דגלים אדומים עבור עיצובים שעלולים להזיק - למשל, אם לחלבון חדש יש מבנים דומים לאלו הפתוגניים המוכרים.

ביו-אבטחה לא מועך שיתוף נתונים. שיתוף פעולה הוא קריטי למדע, אבל המחברים מודים שזה עדיין הכרחי כדי להגן על סודות מסחריים. וכמו ב-AI, חלק מחלבוני מעצבים עשויים להיות שימושיים אך מסוכנים מכדי לשתף אותם בגלוי.

דרך אחת לעקוף את החידה הזו היא להוסיף ישירות אמצעי בטיחות לתהליך הסינתזה עצמו. לדוגמה, המחברים מציעים להוסיף ברקוד - העשוי מאותיות DNA אקראיות - לכל רצף גנטי חדש. כדי לבנות את החלבון, מכונת סינתזה מחפשת את רצף ה-DNA שלו, ורק כאשר היא תמצא את הקוד היא תתחיל לבנות את החלבון.

במילים אחרות, המעצבים המקוריים של החלבון יכולים לבחור עם מי לחלוק את הסינתזה - או אם לחלוק אותה בכלל - תוך שהם עדיין מסוגלים לתאר את התוצאות שלהם בפרסומים.

אסטרטגיית ברקוד שקושרת ייצור חלבונים חדשים למכונת סינתזה תגביר את האבטחה ותרתיע שחקנים רעים, מה שמקשה על יצירה מחדש של מוצרים שעלולים להיות מסוכנים.

"אם יופיע איום ביולוגי חדש בכל מקום בעולם, ניתן יהיה לאתר את רצפי ה-DNA הקשורים למקורותיהם", כתבו המחברים.

זו תהיה דרך קשה. בטיחות חלבון מעצבים תהיה תלויה בתמיכה גלובלית של מדענים, מוסדות מחקר וממשלות, כותבים המחברים. עם זאת, היו הצלחות קודמות. קבוצות גלובליות קבעו הנחיות בטיחות ושיתוף בתחומים שנויים במחלוקת אחרים, כגון מחקר תאי גזע, הנדסה גנטית, שתלי מוח ובינה מלאכותית. למרות שלא תמיד עקבו אחרי-תינוקות CRISPR הם דוגמה ידועה לשמצה-לרוב ההנחיות הבינלאומיות הללו סייעו לקדם את המחקר החדשני בצורה בטוחה ושוויונית.

בעיני בייקר וצ'רץ', דיונים פתוחים על אבטחה ביולוגית לא יאטו את התחום. במקום זאת, זה יכול לגייס מגזרים שונים ולערוך דיון ציבורי כך שעיצוב חלבון מותאם אישית יוכל לשגשג עוד יותר.

תמונת אשראי: אוניברסיטת וושינגטון