Sztuczna inteligencja może od podstaw zaprojektować całkowicie nowe białka — czas porozmawiać o bezpieczeństwie biologicznym

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Dwie dekady temu projektowanie białek było marzeniem.

Teraz, dzięki sztucznej inteligencji, niestandardowych białek jest mnóstwo. Białka na zamówienie często mają określone kształty lub komponenty, które dają im zdolności nowe w naturze. Od trwalszych leków i szczepionek białkowych po bardziej ekologiczne biopaliwa i jedzenie plastiku białek, dziedzina ta szybko staje się technologią transformacyjną.

Niestandardowy projekt białka zależy od technik głębokiego uczenia się. Dzięki dużym modelom językowym – sztucznej inteligencji stojącej za przebojem OpenAI ChatGPT – tworzącym miliony struktur wykraczających poza ludzką wyobraźnię, biblioteka bioaktywnych białek projektowych będzie szybko się powiększać.

„To niezwykle wzmacniające” – stwierdził ostatnio dr Neil King z Uniwersytetu Waszyngtońskiego powiedział Natura. „Rzeczy, które półtora roku temu były niemożliwe – teraz po prostu to robisz”.

Jednak z wielką mocą wiąże się wielka odpowiedzialność. W miarę jak nowo zaprojektowane białka zyskują coraz większą popularność w medycynie i bioinżynierii, naukowcy zastanawiają się obecnie: co się stanie, jeśli technologie te zostaną wykorzystane do niegodziwych celów?

Niedawny esej w nauka podkreśla potrzebę bezpieczeństwa biologicznego projektantów białek. Podobnie jak w przypadku trwających rozmów na temat bezpieczeństwa sztucznej inteligencji, autorzy twierdzą, że nadszedł czas, aby rozważyć zagrożenia i zasady bezpieczeństwa biologicznego, aby niestandardowe białka nie zepsuły się.

Esej został napisany przez dwóch ekspertów w tej dziedzinie. Po pierwsze, dr David Baker, dyrektor Instytut projektowania białek na Uniwersytecie Waszyngtońskim kierował rozwojem RoseTTAFold — algorytmu, który rozwiązał trwający pół dekady problem dekodowania struktury białka na podstawie samych sekwencji aminokwasowych. Drugi, dr George Church z Harvard Medical School, jest pionierem inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej.

Sugerują, że syntetyczne białka wymagają kodów kreskowych osadzonych w sekwencji genetycznej każdego nowego białka. Jeśli którekolwiek z zaprojektowanych białek stanie się zagrożeniem – powiedzmy potencjalnie wywołując niebezpieczną epidemię – jego kod kreskowy ułatwi prześledzenie jego pochodzenia.

System zasadniczo zapewnia „ścieżkę audytu” dla duetu napisać.

Zderzenie światów

Białka projektantów są nierozerwalnie związane ze sztuczną inteligencją. Podobnie jak potencjalne polityki bezpieczeństwa biologicznego.

Ponad dziesięć lat temu laboratorium Bakera wykorzystało oprogramowanie do zaprojektowania i zbudowania białka nazwanego Top7. Białka składają się z elementów zwanych aminokwasami, z których każdy jest zakodowany w naszym DNA. Podobnie jak koraliki na sznurku, aminokwasy są następnie wirowane i marszczone w określone kształty 3D, które często dodatkowo łączą się w wyrafinowane architektury wspierające funkcję białka.

Top7 nie potrafił „rozmawiać” z naturalnymi składnikami komórek – nie miał żadnych skutków biologicznych. Ale nawet wtedy zespół zawarta że projektowanie nowych białek umożliwia badanie „dużych obszarów wszechświata białkowego, których jeszcze nie zaobserwowano w naturze”.

Wprowadź sztuczną inteligencję. Niedawno wdrożono wiele strategii mających na celu projektowanie nowych białek przy prędkościach ponaddźwiękowych w porównaniu z tradycyjną pracą laboratoryjną.

Jednym z nich jest sztuczna inteligencja oparta na strukturach, podobna do narzędzi generujących obrazy, takich jak DALL-E. Te systemy sztucznej inteligencji są szkolone na zaszumionych danych i uczą się usuwać szumy, aby znaleźć realistyczne struktury białkowe. Nazywane modelami dyfuzyjnymi, stopniowo uczą się struktur białkowych zgodnych z biologią.

Inna strategia opiera się na dużych modelach językowych. Podobnie jak ChatGPT, algorytmy szybko znajdują powiązania między „słowami” białkowymi i przekształcają je w rodzaj gramatyki biologicznej. Nici białkowe generowane przez te modele prawdopodobnie złożą się w struktury, które organizm będzie w stanie rozszyfrować. Jeden przykład jest ProtGPT2, który potrafi inżynier aktywne białka o kształtach, które mogą prowadzić do nowych właściwości.

Cyfrowy na fizyczny

Te programy projektowania białek AI wywołują sygnały alarmowe. Białka są budulcem życia – zmiany mogą radykalnie zmienić sposób, w jaki komórki reagują na leki, wirusy lub inne patogeny.

W zeszłym roku rządy na całym świecie ogłosiły plany nadzorowania bezpieczeństwa sztucznej inteligencji. Technologia ta nie była postrzegana jako zagrożenie. Zamiast tego ustawodawcy ostrożnie opracowali politykę zapewniającą, że badania naukowe są zgodne z przepisami dotyczącymi prywatności i wzmacniają gospodarkę, zdrowie publiczne i obronę narodową. Kierując się tym zarzutem, Unia Europejska zgodziła się na Ustawa o sztucznej inteligencji ograniczenia technologii w niektórych dziedzinach.

W przepisach nie wspomniano bezpośrednio o białkach syntetycznych. To świetna wiadomość dla osób zajmujących się wytwarzaniem designerskich białek, które mogą zostać zahamowane przez zbyt restrykcyjne przepisy, piszą Baker i Church. Trwają jednak prace nad nowym prawodawstwem dotyczącym sztucznej inteligencji, a organ doradczy ONZ ds. sztucznej inteligencji ma udostępnić wytyczne w tej sprawie regulacja międzynarodowa w połowie tego roku.

Ponieważ systemy sztucznej inteligencji wykorzystywane do wytwarzania projektowanych białek są wysoce wyspecjalizowane, mogą nadal znajdować się pod radarami organów regulacyjnych, jeśli branża zjednoczy się w globalnym wysiłku na rzecz samoregulacji.

Na Szczyt bezpieczeństwa AI 2023, w którym omówiono projektowanie białek z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, eksperci zgodzili się, że kluczowe znaczenie ma dokumentowanie DNA każdego nowego białka. Podobnie jak ich naturalne odpowiedniki, białka projektowane są również zbudowane z kodu genetycznego. Rejestrowanie wszystkich syntetycznych sekwencji DNA w bazie danych może ułatwić dostrzeżenie sygnałów ostrzegawczych w przypadku potencjalnie szkodliwych projektów – na przykład jeśli nowe białko ma strukturę podobną do znanych patogenów.

Bezpieczeństwo biologiczne nie utrudnia udostępniania danych. Współpraca ma kluczowe znaczenie dla nauki, ale autorzy przyznają, że ochrona tajemnic handlowych jest nadal konieczna. Podobnie jak w przypadku sztucznej inteligencji, niektóre designerskie białka mogą być potencjalnie przydatne, ale zbyt niebezpieczne, aby udostępniać je otwarcie.

Jednym ze sposobów rozwiązania tej zagadki jest bezpośrednie dodanie środków bezpieczeństwa do samego procesu syntezy. Na przykład autorzy sugerują dodanie kodu kreskowego składającego się z losowych liter DNA do każdej nowej sekwencji genetycznej. Aby zbudować białko, maszyna do syntezy przeszukuje sekwencję DNA i dopiero gdy znajdzie kod, zacznie budować białko.

Innymi słowy, pierwotni projektanci białka mogą wybrać, komu udostępnić syntezę – lub czy w ogóle ją udostępnić – mając jednocześnie możliwość opisywania swoich wyników w publikacjach.

Strategia kodów kreskowych, która wiąże wytwarzanie nowych białek z maszyną do syntezy, również zwiększyłaby bezpieczeństwo i odstraszyła złych aktorów, utrudniając odtworzenie potencjalnie niebezpiecznych produktów.

„Jeśli gdziekolwiek na świecie pojawi się nowe zagrożenie biologiczne, można będzie prześledzić pochodzenie powiązanych sekwencji DNA” – napisali autorzy.

To będzie trudna droga. Autorzy piszą, że bezpieczeństwo białek designerskich będzie zależeć od globalnego wsparcia ze strony naukowców, instytucji badawczych i rządów. Były jednak już sukcesy. Grupy globalne ustaliły wytyczne dotyczące bezpieczeństwa i udostępniania informacji w innych kontrowersyjnych dziedzinach, takich jak badania nad komórkami macierzystymi, inżynieria genetyczna, implanty mózgowe i sztuczna inteligencja. Chociaż nie zawsze przestrzegane —Dzieci CRISPR są znanym przykładem— w większości te międzynarodowe wytyczne pomogły w rozwoju najnowocześniejszych badań w bezpieczny i sprawiedliwy sposób.

Zdaniem Bakera i Churcha otwarte dyskusje na temat bezpieczeństwa biologicznego nie spowalniają tej dziedziny. Zamiast tego może zjednoczyć różne sektory i zaangażować dyskusję publiczną, dzięki czemu projektowanie białek na zamówienie będzie mogło dalej się rozwijać.

Kredytowych Image: uniwersytet Waszyngtoński