Inteligența artificială poate proiecta proteine complet noi de la zero – este timpul să vorbim despre biosecuritate

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

În urmă cu două decenii, proiectarea proteinelor de proiectare era un vis.

Acum, datorită inteligenței artificiale, proteinele personalizate sunt de un ban pe duzină. Proteine la comandă au adesea forme sau componente specifice care le conferă abilități noi pentru natură. De la medicamente de durată mai lungă și vaccinuri pe bază de proteine, la biocombustibili mai ecologici și mâncarea de plastic proteine, domeniul devine rapid o tehnologie transformatoare.

Designul personalizat al proteinelor depinde de tehnicile de învățare profundă. Cu modele mari de limbaj – IA din spatele blockbusterului ChatGPT al OpenAI – care visează milioane de structuri dincolo de imaginația umană, biblioteca de proteine bioactive de proiectare este pregătită să se extindă rapid.

„Este extrem de încurajator”, recent Dr. Neil King de la Universitatea din Washington a spus Natură. „Lucruri care erau imposibile în urmă cu un an și jumătate – acum doar o faci.”

Cu toate acestea, cu o mare putere vine o mare responsabilitate. Pe măsură ce proteinele nou concepute câștigă din ce în ce mai mult acțiune pentru utilizare în medicină și bioinginerie, oamenii de știință se întreabă acum: ce se întâmplă dacă aceste tehnologii sunt folosite în scopuri nefaste?

Un eseu recent în Ştiinţă subliniază necesitatea biosecurității pentru proteinele de proiectare. Similar conversațiilor în curs despre siguranța AI, autorii spun că este timpul să luăm în considerare riscurile și politicile de biosecuritate, astfel încât proteinele personalizate să nu devină necinstite.

Eseul este scris de doi experți în domeniu. Unul, dr. David Baker, directorul Institutul pentru Protein Design la Universitatea din Washington, a condus dezvoltarea RoseTTAFold - un algoritm care a rezolvat problema de o jumătate de deceniu a decodificării structurii proteinelor numai din secvențele sale de aminoacizi. Celălalt, Dr. George Church de la Harvard Medical School, este un pionier în inginerie genetică și biologie sintetică.

Ei sugerează că proteinele sintetice au nevoie de coduri de bare încorporate în secvența genetică a fiecărei proteine noi. Dacă oricare dintre proteinele de proiectare devine o amenințare – să zicem, potențial declanșând un focar periculos – codul de bare ar face mai ușor de urmărit până la origine.

Sistemul oferă practic „o pistă de audit”, duo-ul scrie.

Lumile se Ciocnesc

Proteinele de design sunt indisolubil legate de IA. La fel și potențialele politici de biosecuritate.

Cu peste un deceniu în urmă, laboratorul lui Baker a folosit software pentru a proiecta și a construi o proteină numită Top7. Proteinele sunt formate din blocuri de construcție numite aminoacizi, fiecare dintre ele codificat în interiorul ADN-ului nostru. Asemenea mărgelelor pe o sfoară, aminoacizii sunt apoi răsuciți și încrețiți în forme 3D specifice, care adesea se integrează în arhitecturi sofisticate care susțin funcția proteinei.

Top7 nu a putut „vorbește” cu componentele naturale ale celulelor – nu a avut niciun efect biologic. Dar chiar și atunci, echipa încheiat că proiectarea de noi proteine face posibilă explorarea „regiunilor mari ale universului proteic neobservate încă în natură”.

Introduceți AI. Mai multe strategii au decolat recent pentru a proiecta noi proteine la viteze supersonice în comparație cu munca tradițională de laborator.

Unul este AI bazat pe structură, similar cu instrumentele de generare de imagini precum DALL-E. Aceste sisteme AI sunt instruite pe date zgomotoase și învață să elimine zgomotul pentru a găsi structuri de proteine realiste. Numiți modele de difuzie, ei învață treptat structurile proteinelor care sunt compatibile cu biologia.

O altă strategie se bazează pe modele mari de limbaj. La fel ca ChatGPT, algoritmii găsesc rapid conexiuni între „cuvintele” proteice și distilează aceste conexiuni într-un fel de gramatică biologică. Componentele de proteine pe care aceste modele le generează sunt susceptibile să se plieze în structuri pe care organismul le poate descifra. Un exemplu este ProtGPT2, care poate proiecta proteine active cu forme care ar putea duce la noi proprietăți.

De la digital la fizic

Aceste programe de proiectare a proteinelor AI dau semnale de alarmă. Proteinele sunt elementele de bază ale vieții – schimbările ar putea modifica dramatic modul în care celulele răspund la medicamente, viruși sau alți agenți patogeni.

Anul trecut, guvernele din întreaga lume au anunțat planuri de a supraveghea siguranța AI. Tehnologia nu a fost poziționată ca o amenințare. În schimb, legiuitorii au elaborat cu precauție politici care asigură că cercetarea respectă legile privind confidențialitatea și susțin economia, sănătatea publică și apărarea națională. În fruntea acuzației, Uniunea Europeană a fost de acord cu privire la AI Act pentru a limita tehnologia în anumite domenii.

Proteinele sintetice nu au fost menționate direct în reglementări. Aceasta este o veste grozavă pentru fabricarea proteinelor de designer, care ar putea fi limitate de reglementări excesiv de restrictive, scriu Baker și Church. Cu toate acestea, o nouă legislație privind inteligența artificială este în lucru, organismul consultativ al Națiunilor Unite privind inteligența artificială urmând să împărtășească orientări privind reglementare internationala la mijlocul acestui an.

Deoarece sistemele de inteligență artificială folosite pentru a produce proteine de proiectare sunt foarte specializate, ele pot zbura în continuare sub radarele de reglementare – dacă domeniul se unește într-un efort global de autoreglare.

De la Summit-ul privind siguranța AI din 2023, care a discutat despre proiectarea proteinelor activată de AI, experții au convenit că documentarea ADN-ului de bază al fiecărei proteine noi este cheia. Ca și omologii lor naturali, proteinele de proiectare sunt, de asemenea, construite din codul genetic. Înregistrarea tuturor secvențelor de ADN sintetic într-o bază de date ar putea facilita identificarea semnalelor roșii pentru modele potențial dăunătoare - de exemplu, dacă o nouă proteină are structuri similare celor patogene cunoscute.

Biosecuritatea nu distruge partajarea datelor. Colaborarea este esențială pentru știință, dar autorii recunosc că este încă necesar să se protejeze secretele comerciale. Și, ca și în IA, unele proteine de designer pot fi potențial utile, dar prea periculoase pentru a fi distribuite în mod deschis.

O modalitate de a ocoli această enigmă este adăugarea directă a măsurilor de siguranță la procesul de sinteză în sine. De exemplu, autorii sugerează adăugarea unui cod de bare - format din litere aleatorii ADN - la fiecare nouă secvență genetică. Pentru a construi proteina, o mașină de sinteză caută secvența sa de ADN și numai atunci când găsește codul va începe să construiască proteina.

Cu alte cuvinte, designerii originali ai proteinei pot alege cu cine să împărtășească sinteza – sau dacă să o partajeze deloc – putând, în același timp, să-și descrie rezultatele în publicații.

O strategie de coduri de bare care leagă producerea de noi proteine de o mașină de sinteză ar spori, de asemenea, securitatea și ar descuraja actorii răi, făcând dificilă recrearea produselor potențial periculoase.

„Dacă o nouă amenințare biologică apare oriunde în lume, secvențele de ADN asociate ar putea fi urmărite până la originile lor”, au scris autorii.

Va fi un drum greu. Siguranța proteinelor proiectate va depinde de sprijinul global din partea oamenilor de știință, instituțiilor de cercetare și guvernelor, scriu autorii. Cu toate acestea, au existat succese anterioare. Grupurile globale au stabilit linii directoare privind siguranța și schimbul în alte domenii controversate, cum ar fi cercetarea cu celule stem, inginerie genetică, implanturi cerebrale și AI. Deși nu este întotdeauna urmată -Bebelușii CRISPR sunt un exemplu notoriu— în cea mai mare parte, aceste orientări internaționale au ajutat să avanseze cercetarea de ultimă oră într-un mod sigur și echitabil.

Pentru Baker și Church, discuțiile deschise despre biosecuritate nu vor încetini domeniul. Mai degrabă, poate aduna diferite sectoare și poate implica discuții publice, astfel încât designul personalizat de proteine să poată prospera și mai mult.

Credit imagine: Universitatea din Washington