ШІ може створювати абсолютно нові білки з нуля — час поговорити про біозахист

Перевидано Платоном

читають: 0

Два десятиліття тому розробка дизайнерських білків була мрією.

Тепер, завдяки штучному інтелекту, користувальницькі протеїни – це копійки. Протеїни на замовлення часто мають специфічні форми або компоненти, які надають їм нові для природи здібності. Від довготривалих препаратів і білкових вакцин до екологічнішого біопалива поїдання пластику білків, поле швидко стає трансформаційною технологією.

Індивідуальний дизайн протеїну залежить від методів глибокого навчання. Завдяки великим мовним моделям — штучному інтелекту, що лежить в основі блокбастера OpenAI ChatGPT — які створюють мільйони структур, що перевершують людську уяву, бібліотека біоактивних білків-дизайнерів швидко розширюватиметься.

«Це надзвичайно розширює можливості», — нещодавно сказав доктор Ніл Кінг із Вашингтонського університету сказав природа. «Те, що було неможливо півтора роки тому, тепер ви просто робите».

Проте з великою силою приходить велика відповідальність. Оскільки нові розроблені білки все частіше набувають популярності для використання в медицині та біоінженерії, вчені зараз задаються питанням: що трапиться, якщо ці технології використовуватимуть у підлих цілях?

Недавній нарис в наука підкреслює необхідність біозахисту для дизайнерських білків. Подібно до поточних розмов про безпеку штучного інтелекту, автори кажуть, що настав час розглянути ризики біозахисту та політику, щоб спеціальні білки не стали шахраями.

Есе написано двома експертами в цій галузі. Один, доктор Девід Бейкер, директор Інститут білкового дизайну в Університеті Вашингтона керував розробкою RoseTTAFold — алгоритму, який зламав півдесятирічну проблему декодування структури білка лише за його амінокислотними послідовностями. Інший, доктор Джордж Черч із Гарвардської медичної школи, є піонером у галузі генної інженерії та синтетичної біології.

Вони припускають, що для синтетичних білків потрібні штрих-коди, вбудовані в генетичну послідовність кожного нового білка. Якщо будь-який із створених білків стане загрозою — скажімо, потенційно спровокує небезпечний спалах — його штрих-код дозволить легко відстежити його походження.

Система в основному забезпечує «контрольний слід», дует запис.

Світ зіткнення

Дизайнерські білки нерозривно пов’язані зі ШІ. Так само й потенційні політики біозахисту.

Понад десять років тому лабораторія Бейкера використовувала програмне забезпечення для розробки та створення протеїну під назвою Top7. Білки складаються з будівельних блоків, які називаються амінокислотами, кожна з яких закодована в нашій ДНК. Подібно намистинам на нитці, амінокислоти потім обертаються та зморщуються в певні 3D-форми, які часто з’єднуються у складну архітектуру, що підтримує функцію білка.

Top7 не міг «розмовляти» з природними компонентами клітини — він не мав жодних біологічних ефектів. Але навіть тоді команда уклали що розробка нових білків дає змогу досліджувати «великі регіони білкового всесвіту, які ще не спостерігаються в природі».

Введіть ШІ. Нещодавно було використано кілька стратегій розробки нових білків із надзвуковою швидкістю порівняно з традиційною лабораторною роботою.

Один з них – структурний штучний інтелект, подібний до інструментів для створення зображень, таких як DALL-E. Ці системи штучного інтелекту навчаються на шумових даних і вчаться усувати шум, щоб знаходити реалістичні білкові структури. Вони називаються дифузійними моделями, вони поступово вивчають структури білка, сумісні з біологією.

Інша стратегія спирається на великі мовні моделі. Подібно до ChatGPT, алгоритми швидко знаходять зв’язки між білковими «словами» та перетворюють ці зв’язки на свого роду біологічну граматику. Білкові нитки, які генерують ці моделі, ймовірно, складатимуться в структури, які організм зможе розшифрувати. Один приклад є ProtGPT2, який може інженер активні білки з формами, які можуть призвести до нових властивостей.

Від цифрового до фізичного

Ці програми білкового дизайну ШІ б’ють тривогу. Білки є будівельними блоками життя — зміни можуть різко змінити те, як клітини реагують на ліки, віруси чи інші патогени.

Минулого року уряди всього світу оголосили про плани нагляду за безпекою ШІ. Технологія не позиціонувалася як загроза. Натомість законодавці обережно розробили політику, яка гарантує, що дослідження дотримуються законів про конфіденційність і зміцнюють економіку, охорону здоров’я та національну оборону. Очолюючи звинувачення, Європейський Союз погодився на Закон про ШІ обмежити технологію в певних областях.

Синтетичні білки прямо не згадувалися в нормативних актах. Це чудова новина для створення дизайнерських білків, які можуть бути обмежені через надто обмежувальні правила, пишуть Бейкер і Черч. Проте розробляється нове законодавство щодо штучного інтелекту, і консультативний орган ООН з питань штучного інтелекту збирається поділитися вказівками щодо міжнародне регулювання в середині цього року.

Оскільки системи штучного інтелекту, які використовуються для створення білків-дизайнерів, є вузькоспеціалізованими, вони все ще можуть потрапити під радари регуляторів, якщо сфера об’єднається в глобальних зусиллях щодо саморегулювання.

В 2023 Саміт безпеки ШІ, де обговорювався дизайн білка з підтримкою штучного інтелекту, експерти погодилися, що документування базової ДНК кожного нового білка є ключовим. Як і їхні природні аналоги, дизайнерські білки також побудовані з генетичного коду. Реєстрація всіх синтетичних послідовностей ДНК у базі даних може полегшити виявлення червоних прапорців для потенційно шкідливих дизайнів, наприклад, якщо новий білок має структури, подібні до відомих патогенних.

Біозахист не перешкоджає обміну даними. Співпраця має вирішальне значення для науки, але автори визнають, що все ще необхідно захищати комерційні таємниці. Як і в штучному інтелекті, деякі дизайнерські білки можуть бути потенційно корисними, але надто небезпечними, щоб ними відкрито ділитися.

Один із способів обійти цю головоломку — безпосередньо додати заходи безпеки до самого процесу синтезу. Наприклад, автори пропонують додавати до кожної нової генетичної послідовності штрих-код, який складається з випадкових літер ДНК. Щоб побудувати білок, машина для синтезу шукає його послідовність ДНК, і лише коли вона знайде код, вона почне будувати білок.

Іншими словами, оригінальні розробники білка можуть вибирати, з ким ділитися синтезом або чи ділитися ним взагалі, маючи при цьому можливість описувати свої результати в публікаціях.

Стратегія штрих-коду, яка пов’язує створення нових білків із машиною синтезу, також посилить безпеку та відлякає зловмисників, що ускладнить відтворення потенційно небезпечних продуктів.

«Якщо в будь-якій точці світу з’явиться нова біологічна загроза, пов’язані послідовності ДНК можна буде простежити до їх походження», — пишуть автори.

Це буде важкий шлях. Безпека дизайнерського білка залежатиме від глобальної підтримки вчених, дослідницьких установ та урядів, пишуть автори. Однак попередні успіхи були. Глобальні групи встановили правила безпеки та обміну в інших суперечливих сферах, таких як дослідження стовбурових клітин, генна інженерія, мозкові імплантати та ШІ. Хоча не завжди дотримується-Немовлята CRISPR є сумнозвісним прикладом— здебільшого ці міжнародні рекомендації допомогли просунути передові дослідження вперед у безпечний і справедливий спосіб.

На думку Бейкера та Черча, відкриті дискусії про біозахист не сповільнять розвиток галузі. Навпаки, це може згуртувати різні сектори та залучити громадське обговорення, щоб нестандартний білковий дизайн міг і далі процвітати.

Зображення Фото: Університет Вашингтона