ИИ может создавать совершенно новые белки с нуля — пришло время поговорить о биобезопасности

Переиздано Платоном

Читают: 0

Два десятилетия назад разработка белков была мечтой.

Теперь, благодаря искусственному интеллекту, специальные белки стоят пруд пруди. Белки на заказ часто имеют особую форму или компоненты, которые наделяют их новыми для природы способностями. От лекарств более длительного действия и белковых вакцин до более экологичного биотоплива и поедание пластика белков, эта область быстро становится преобразующей технологией.

Индивидуальный дизайн белка зависит от методов глубокого обучения. Благодаря большим языковым моделям — искусственному интеллекту, лежащему в основе блокбастера OpenAI ChatGPT, — мечтающим о миллионах структур, превосходящих человеческое воображение, библиотека биоактивных дизайнерских белков будет быстро расширяться.

«Это чрезвычайно расширяет возможности», — недавно сказал доктор Нил Кинг из Вашингтонского университета. заявил природа. «То, что было невозможно полтора года назад — теперь вы просто делаете это».

Однако с большой силой приходит и большая ответственность. Поскольку вновь созданные белки все чаще находят применение в медицине и биоинженерии, ученые задаются вопросом: что произойдет, если эти технологии будут использоваться в гнусных целях?

Недавнее эссе в Наука подчеркивает необходимость биобезопасности дизайнерских белков. Подобно продолжающимся разговорам о безопасности ИИ, авторы говорят, что пришло время рассмотреть риски и политику биобезопасности, чтобы специальные белки не вышли из строя.

Эссе написано двумя экспертами в этой области. Один из них — доктор Дэвид Бейкер, директор Институт белкового дизайна в Вашингтонском университете возглавил разработку RoseTTAFold — алгоритма, который решил пятидесятилетнюю проблему декодирования структуры белка только по его аминокислотным последовательностям. Другой, доктор Джордж Чёрч из Гарвардской медицинской школы, является пионером в области генной инженерии и синтетической биологии.

Они предполагают, что синтетическим белкам нужны штрих-коды, встроенные в генетическую последовательность каждого нового белка. Если какой-либо из дизайнерских белков станет угрозой — скажем, потенциально спровоцирует опасную вспышку — его штрих-код позволит легко отследить его происхождение.

По сути, система обеспечивает «контрольный журнал». записывать.

Миры сталкиваются

Дизайнерские белки неразрывно связаны с ИИ. Как и потенциальная политика биобезопасности.

Более десяти лет назад лаборатория Бейкера использовала программное обеспечение для разработки и создания белка, получившего название Top7. Белки состоят из строительных блоков, называемых аминокислотами, каждый из которых закодирован в нашей ДНК. Подобно бусинкам на нитке, аминокислоты затем скручиваются и сморщиваются, придавая специфические трехмерные формы, которые часто образуют сложную архитектуру, поддерживающую функцию белка.

Top7 не мог «разговаривать» с природными компонентами клеток — он не имел никаких биологических эффектов. Но даже тогда команда в заключении исследования, финансируемого Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) и написанного бывшим начальником полиции Вермонта что создание новых белков позволяет исследовать «большие области белковой вселенной, еще не наблюдаемые в природе».

Введите ИИ. В последнее время появилось множество стратегий для разработки новых белков на сверхзвуковых скоростях по сравнению с традиционной лабораторной работой.

Один из них — структурный ИИ, похожий на инструменты генерации изображений, такие как DALL-E. Эти системы искусственного интеллекта обучаются на зашумленных данных и учатся удалять шум, чтобы находить реалистичные белковые структуры. Называемые диффузионными моделями, они постепенно изучают белковые структуры, совместимые с биологией.

Другая стратегия опирается на большие языковые модели. Как и ChatGPT, алгоритмы быстро находят связи между белковыми «словами» и превращают эти связи в своего рода биологическую грамматику. Белковые нити, генерируемые этими моделями, вероятно, складываются в структуры, которые организм может расшифровать. Один пример это ProtGPT2, который может спроектировать активные белки, форма которых может привести к новым свойствам.

Цифро-физический

Эти программы искусственного интеллекта по созданию белков вызывают тревогу. Белки являются строительными блоками жизни: изменения могут кардинально изменить реакцию клеток на лекарства, вирусы или другие патогены.

В прошлом году правительства всего мира объявили о планах по надзору за безопасностью ИИ. Технология не позиционировалась как угроза. Вместо этого законодатели осторожно разработали политику, которая обеспечивает соответствие исследований законам о конфиденциальности и поддерживает экономику, общественное здравоохранение и национальную оборону. Возглавляя эту задачу, Европейский Союз согласился на Закон об ИИ ограничить технологию в определенных областях.

Синтетические белки прямо в правилах не упоминались. Это отличная новость для создания дизайнерских белков, которые могут быть ограничены чрезмерно строгими правилами, пишут Бейкер и Черч. Тем не менее, новое законодательство в области ИИ находится в разработке, и консультативный орган ООН по ИИ собирается поделиться руководящими принципами по международное регулирование в середине этого года.

Поскольку системы искусственного интеллекта, используемые для создания дизайнерских белков, являются узкоспециализированными, они все еще могут оставаться вне поля зрения регулирующих органов — если эта область объединится в глобальных усилиях по саморегулированию.

на Саммит по безопасности искусственного интеллекта 2023 г., в котором обсуждался дизайн белков с помощью искусственного интеллекта, эксперты согласились, что документирование ДНК, лежащей в основе каждого нового белка, является ключевым моментом. Как и их природные аналоги, дизайнерские белки также построены на основе генетического кода. Регистрация всех синтетических последовательностей ДНК в базе данных может облегчить выявление тревожных сигналов для потенциально вредных конструкций — например, если новый белок имеет структуры, аналогичные известным патогенным.

Биобезопасность не препятствует обмену данными. Сотрудничество имеет решающее значение для науки, но авторы признают, что защита коммерческой тайны по-прежнему необходима. И, как и в случае с искусственным интеллектом, некоторые дизайнерские белки могут быть потенциально полезны, но слишком опасны, чтобы делиться ими открыто.

Один из способов обойти эту загадку — добавить меры безопасности непосредственно к самому процессу синтеза. Например, авторы предлагают добавлять к каждой новой генетической последовательности штрих-код, состоящий из случайных букв ДНК. Чтобы построить белок, машина синтеза просматривает последовательность его ДНК, и только когда она находит код, она начинает создавать белок.

Другими словами, первоначальные разработчики белка могут выбирать, с кем поделиться синтезом — или делиться ли им вообще — и при этом иметь возможность описать свои результаты в публикациях.

Стратегия штрих-кодирования, связывающая создание новых белков с машиной для синтеза, также повысит безопасность и сдержит злоумышленников, что затруднит воссоздание потенциально опасных продуктов.

«Если где-нибудь в мире возникнет новая биологическая угроза, связанные с ней последовательности ДНК можно будет отследить до их происхождения», — пишут авторы.

Это будет трудный путь. Безопасность дизайнерских белков будет зависеть от глобальной поддержки со стороны ученых, исследовательских институтов и правительств, пишут авторы. Однако и раньше были успехи. Глобальные группы разработали правила безопасности и обмена информацией в других спорных областях, таких как исследования стволовых клеток, генная инженерия, мозговые имплантаты и искусственный интеллект. Хоть и не всегда соблюдается...Младенцы, использующие CRISPR, являются печально известным примером.— по большей части эти международные рекомендации помогли продвигать передовые исследования безопасным и справедливым образом.

По мнению Бейкера и Черча, открытые дискуссии о биобезопасности не замедлят развитие этой отрасли. Скорее, это может сплотить различные сектора и привлечь общественное обсуждение, чтобы разработка индивидуальных белков могла и дальше процветать.

Изображение Фото: Университет Вашингтона