Tekoäly voi suunnitella täysin uusia proteiineja tyhjästä – on aika puhua bioturvallisuudesta

Tekoäly voi suunnitella täysin uusia proteiineja tyhjästä – on aika puhua bioturvallisuudesta

Aikaleima: 29. tammikuuta 2024 5
Tekoäly voi suunnitella täysin uusia proteiineja tyhjästä – on aika puhua bioturvallisuudesta PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Kaksi vuosikymmentä sitten suunnittelijaproteiinien suunnittelu oli unelma.

Nyt tekoälyn ansiosta mukautetut proteiinit ovat kymmenkunta senttiä. Proteiinit tilauksesta niillä on usein erityisiä muotoja tai komponentteja, jotka antavat heille uusia kykyjä luonnolle. Pitkäkestoisista lääkkeistä ja proteiinipohjaisista rokotteista vihreämpiin biopolttoaineisiin ja muovia syövä proteiineja, alasta on nopeasti tulossa transformatiivinen teknologia.

Mukautettu proteiinisuunnittelu riippuu syvästä oppimistekniikoista. Koska suuret kielimallit – OpenAI:n menestyneen ChatGPT:n takana oleva tekoäly – haaveilevat miljoonia rakenteita ihmisen mielikuvituksen ulkopuolella, bioaktiivisten suunnittelijaproteiinien kirjasto laajenee nopeasti.

"Se on valtavasti voimaannuttavaa", tohtori Neil King Washingtonin yliopistosta äskettäin kertoi luonto. "Asioita, jotka olivat mahdottomia puolitoista vuotta sitten - nyt teet sen."

Silti suurella voimalla tulee suuri vastuu. Kun äskettäin suunnitellut proteiinit saavat yhä enemmän vetovoimaa käytettäväksi lääketieteessä ja biotekniikassa, tutkijat ihmettelevät nyt: Mitä tapahtuu, jos näitä tekniikoita käytetään pahantahtoisiin tarkoituksiin?

Tuore essee sisään tiede korostaa suunnittelijoiden proteiinien bioturvallisuuden tarvetta. Tekoälyn turvallisuudesta käytävien keskustelujen tapaan kirjoittajat sanovat, että on aika harkita bioturvallisuusriskejä ja -käytäntöjä, jotta räätälöidyt proteiinit eivät mene huijareiksi.

Esseen on kirjoittanut kaksi alan asiantuntijaa. Yksi, tohtori David Baker, johtaja Proteiinisuunnittelun instituutti Washingtonin yliopistossa johti RoseTTAFold-algoritmin kehittämistä, joka mursi puoli vuosikymmentä kestäneen ongelman proteiinirakenteen dekoodaamisesta pelkästään sen aminohapposekvensseistä. Toinen, Dr. George Church Harvard Medical Schoolista, on geenitekniikan ja synteettisen biologian edelläkävijä.

He ehdottavat, että synteettiset proteiinit tarvitsevat viivakoodit upotettuna jokaisen uuden proteiinin geneettiseen sekvenssiin. Jos jostakin suunnittelijaproteiineista tulee uhka – vaikkapa mahdollisesti laukaisemaan vaarallisen taudinpurkauksen – sen viivakoodin avulla olisi helppo jäljittää sen alkuperä.

Järjestelmä tarjoaa periaatteessa "kirjausketjun", kaksikko kirjoittaa.

Maailmat törmäävät

Suunnitteluproteiinit ovat erottamattomasti sidoksissa tekoälyyn. Samoin mahdolliset bioturvallisuuspolitiikat.

Yli kymmenen vuotta sitten Bakerin laboratorio käytti ohjelmistoa Top7-proteiinin suunnitteluun ja rakentamiseen. Proteiinit koostuvat rakennuspalikoista, joita kutsutaan aminohapoiksi, joista jokainen on koodattu DNA:ssamme. Kuten helmiä nauhassa, aminohapot kierretään ja rypistyvät tiettyihin 3D-muotoihin, jotka usein yhdistyvät edelleen kehittyneisiin arkkitehtuureihin, jotka tukevat proteiinin toimintaa.

Top7 ei voinut "puhua" luonnollisten solukomponenttien kanssa – sillä ei ollut mitään biologisia vaikutuksia. Mutta silloinkin joukkue päätökseen että uusien proteiinien suunnittelu mahdollistaa "proteiiniuniversumin laajojen alueiden tutkimisen, joita ei vielä havaita luonnossa".

Syötä AI. Useat strategiat otettiin hiljattain käyttöön uusien proteiinien suunnittelemiseksi yliäänenopeuksilla verrattuna perinteiseen laboratorioon.

Yksi niistä on rakennepohjainen tekoäly, joka muistuttaa kuvanmuodostustyökaluja, kuten DALL-E. Nämä tekoälyjärjestelmät on koulutettu meluisaan dataan, ja ne oppivat poistamaan melun löytääkseen realistisia proteiinirakenteita. Niitä kutsutaan diffuusiomalleiksi, ja ne oppivat vähitellen proteiinirakenteita, jotka ovat yhteensopivia biologian kanssa.

Toinen strategia perustuu suuriin kielimalleihin. ChatGPT:n tapaan algoritmit löytävät nopeasti yhteyksiä proteiinien "sanojen" välillä ja tislaavat nämä yhteydet eräänlaiseksi biologiseksi kieliopiksi. Näiden mallien tuottamat proteiinisäikeet laskostuvat todennäköisesti rakenteiksi, joita keho voi tulkita. Yksi esimerkki on ProtGPT2, joka voi insinööri aktiivisia proteiineja, joiden muodot voivat johtaa uusiin ominaisuuksiin.

Digitaalisesta fyysiseen

Nämä tekoälyproteiinien suunnitteluohjelmat soittavat hälytyskelloja. Proteiinit ovat elämän rakennuspalikoita – muutokset voivat muuttaa dramaattisesti sitä, miten solut reagoivat lääkkeisiin, viruksiin tai muihin patogeeneihin.

Viime vuonna hallitukset ympäri maailmaa ilmoittivat suunnitelmistaan ​​valvoa tekoälyn turvallisuutta. Tekniikkaa ei asetettu uhkaksi. Sen sijaan lainsäätäjät tarkensivat varovaisesti politiikkaa, jolla varmistetaan, että tutkimus noudattaa tietosuojalakeja ja tukee taloutta, kansanterveyttä ja maanpuolustusta. Syytä johtaen Euroopan unioni sopi AI-laki rajoittaa teknologiaa tietyillä aloilla.

Synteettisiä proteiineja ei suoraan sanottu määräyksissä. Tämä on hieno uutinen suunnittelijaproteiinien valmistukseen, jota liian rajoittava sääntely voi estää, kirjoittaa Baker ja Church. Uusi tekoälylainsäädäntö on kuitenkin työn alla, ja YK:n tekoälyn neuvoa-antava elin aikoo jakaa ohjeita kansainvälistä sääntelyä tämän vuoden puolivälissä.

Koska suunnittelijaproteiinien valmistukseen käytetyt tekoälyjärjestelmät ovat pitkälle erikoistuneita, ne voivat silti lentää säätelytutkien alla – jos kenttä yhdistyy globaaliin itsesäätelypyrkimykseen.

At 2023 AI Safety Summit, jossa keskusteltiin tekoälyn mahdollistamasta proteiinisuunnittelusta, asiantuntijat sopivat, että jokaisen uuden proteiinin taustalla olevan DNA:n dokumentointi on avainasemassa. Kuten luonnolliset vastineensa, myös suunnittelijaproteiinit on rakennettu geneettisestä koodista. Kaikkien synteettisten DNA-sekvenssien kirjaaminen tietokantaan voisi helpottaa mahdollisesti haitallisten mallien punaisten lippujen havaitsemista – esimerkiksi jos uudella proteiinilla on samankaltaisia ​​rakenteita kuin tunnetuilla patogeenisillä.

Bioturvallisuus ei estä tietojen jakamista. Yhteistyö on tieteen kannalta kriittistä, mutta kirjoittajat myöntävät, että liikesalaisuuksien suojaaminen on edelleen välttämätöntä. Ja kuten tekoälyssä, jotkut suunnittelijaproteiinit voivat olla hyödyllisiä, mutta liian vaarallisia avoimesti jaettavaksi.

Yksi tapa kiertää tämä ongelma on lisätä turvatoimia suoraan itse synteesiprosessiin. Kirjoittajat ehdottavat esimerkiksi satunnaisista DNA-kirjaimista koostuvan viivakoodin lisäämistä jokaiseen uuteen geneettiseen sekvenssiin. Proteiinin rakentamiseksi synteesikone etsii sen DNA-sekvenssiä, ja vasta kun se löytää koodin, se alkaa rakentaa proteiinia.

Toisin sanoen proteiinin alkuperäiset suunnittelijat voivat valita, kenen kanssa jakaa synteesin – vai jakavatko sen ollenkaan – samalla kun he voivat silti kuvailla tuloksiaan julkaisuissa.

Viivakoodistrategia, joka sitoo uusien proteiinien valmistuksen synteesikoneeseen, lisäisi myös turvallisuutta ja karkottaisi huonoja toimijoita, mikä vaikeuttaisi mahdollisesti vaarallisten tuotteiden uudelleenluomista.

"Jos uusi biologinen uhka ilmaantuu missä tahansa päin maailmaa, siihen liittyvät DNA-sekvenssit voidaan jäljittää niiden alkuperään", kirjoittajat kirjoittivat.

Siitä tulee vaikea tie. Suunnittelijan proteiinien turvallisuus riippuu tutkijoiden, tutkimuslaitosten ja hallitusten maailmanlaajuisesta tuesta, kirjoittajat kirjoittavat. Aikaisempia onnistumisia on kuitenkin ollut. Globaalit ryhmät ovat laatineet turvallisuus- ja jakamisohjeet muilla kiistanalaisilla aloilla, kuten kantasolututkimuksessa, geenitekniikassa, aivoimplanteissa ja tekoälyssä. Vaikka ei aina seurannut -CRISPR-vauvat ovat pahamaineinen esimerkki– Suurin osa kansainvälisistä suuntaviivoista on auttanut viemään huippututkimusta eteenpäin turvallisesti ja tasapuolisesti.

Bakerille ja Churchille avoin keskustelu bioturvallisuudesta ei hidasta alaa. Sen sijaan se voi koota yhteen eri sektoreita ja saada julkista keskustelua, jotta räätälöity proteiinisuunnittelu voi menestyä entisestään.

Kuva pistetilanne: Washingtonin yliopisto

Aikaleima:

Lisää aiheesta Singulaarisuus Hub