Umetna inteligenca lahko iz nič oblikuje popolnoma nove beljakovine – čas je za pogovor o biološki varnosti

Umetna inteligenca lahko iz nič oblikuje popolnoma nove beljakovine – čas je za pogovor o biološki varnosti

Časovni žig: 29. januar 2024 5:08
Umetna inteligenca lahko iz nič oblikuje popolnoma nove beljakovine – čas je za pogovor o biološki varnosti Podatkovna inteligenca PlatoBlockchain. Navpično iskanje. Ai.

Pred dvema desetletjema so bile inženirske oblikovalske beljakovine sanje.

Zdaj, zahvaljujoč umetni inteligenci, so proteini po meri na ducat. Proteini po naročilu imajo pogosto posebne oblike ali sestavne dele, ki jim dajejo lastnosti, nove naravi. Od dolgotrajnejših zdravil in cepiv na osnovi beljakovin do okolju prijaznejših biogoriv in prehranjevanje s plastiko proteinov, področje hitro postaja transformativna tehnologija.

Oblikovanje beljakovin po meri je odvisno od tehnik globokega učenja. Z velikimi jezikovnimi modeli – umetno inteligenco, ki stoji za OpenAI-jevo uspešnico ChatGPT –, ki sanja na milijone struktur, ki presegajo človeško domišljijo, se bo knjižnica bioaktivnih oblikovalskih proteinov hitro razširila.

Neil King z Univerze v Washingtonu je pred kratkim dejal: »To zelo krepi moč Rekel Narava. "Stvari, ki so bile pred letom in pol nemogoče - zdaj to enostavno narediš."

Vendar z veliko močjo prihaja velika odgovornost. Medtem ko se na novo oblikovani proteini vedno bolj uveljavljajo pri uporabi v medicini in bioinženiringu, se znanstveniki zdaj sprašujejo: Kaj se zgodi, če se te tehnologije uporabljajo v zlobne namene?

Nedavni esej v Znanost poudarja potrebo po biološki varnosti za oblikovalske beljakovine. Podobno kot pri nenehnih pogovorih o varnosti umetne inteligence, avtorji pravijo, da je čas, da razmislimo o tveganjih in politikah biološke varnosti, da beljakovine po meri ne postanejo lažne.

Esej sta napisala dva strokovnjaka s tega področja. Prvi, dr. David Baker, direktor Inštitut za beljakovinsko oblikovanje na Univerzi v Washingtonu je vodil razvoj RoseTTAFold – algoritma, ki je rešil pol desetletja trajajočo težavo dekodiranja proteinske strukture samo iz njegovih aminokislinskih zaporedij. Drugi, dr. George Church na medicinski šoli Harvard, je pionir v genskem inženiringu in sintetični biologiji.

Predlagajo, da sintetične beljakovine potrebujejo črtne kode, vdelane v genetsko zaporedje vsake nove beljakovine. Če kateri koli od oblikovalskih proteinov postane grožnja – na primer potencialno sproži nevaren izbruh – bi njegova črtna koda olajšala sledenje njegovemu izvoru.

Sistem v bistvu zagotavlja "revizijsko sled", duo pisati.

Svetovi trčijo

Oblikovalski proteini so neločljivo povezani z AI. Prav tako potencialne politike biološke varnosti.

Pred več kot desetletjem je Bakerjev laboratorij uporabil programsko opremo za načrtovanje in izdelavo beljakovine, imenovane Top7. Beljakovine so sestavljene iz gradnikov, imenovanih aminokisline, od katerih je vsaka kodirana v naši DNK. Kot kroglice na vrvici se aminokisline nato vrtijo in nagubajo v posebne 3D oblike, ki se pogosto še naprej povezujejo v prefinjene arhitekture, ki podpirajo delovanje beljakovin.

Top7 se ni mogel "pogovarjati" z naravnimi celičnimi komponentami - ni imel nobenih bioloških učinkov. Toda tudi takrat ekipa sklenjene da oblikovanje novih proteinov omogoča raziskovanje "velikih regij beljakovinskega vesolja, ki jih v naravi še ne opazimo."

Vnesite AI. Nedavno se je začelo uporabljati več strategij za oblikovanje novih proteinov pri nadzvočnih hitrostih v primerjavi s tradicionalnim laboratorijskim delom.

Ena je strukturna umetna inteligenca, podobna orodjem za ustvarjanje slik, kot je DALL-E. Ti sistemi umetne inteligence so usposobljeni za hrupne podatke in se naučijo odstraniti hrup, da bi našli realistične proteinske strukture. Imenujejo se difuzijski modeli in postopoma spoznavajo proteinske strukture, ki so združljive z biologijo.

Druga strategija temelji na velikih jezikovnih modelih. Tako kot ChatGPT tudi algoritmi hitro najdejo povezave med proteinskimi "besedami" in te povezave destilirajo v nekakšno biološko slovnico. Proteinske niti, ki jih ustvarijo ti modeli, se bodo verjetno zložile v strukture, ki jih telo lahko razvozla. En primer je ProtGPT2, ki lahko inženir aktivne beljakovine z oblikami, ki bi lahko vodile do novih lastnosti.

Digitalno v fizično

Ti programi za načrtovanje beljakovin z umetno inteligenco sprožajo alarm. Beljakovine so gradniki življenja – spremembe bi lahko dramatično spremenile odziv celic na zdravila, viruse ali druge patogene.

Lani so vlade po vsem svetu objavile načrte za nadzor varnosti umetne inteligence. Tehnologija ni bila postavljena kot grožnja. Namesto tega so zakonodajalci previdno oblikovali politike, ki zagotavljajo, da raziskave sledijo zakonom o zasebnosti in krepijo gospodarstvo, javno zdravje in nacionalno obrambo. Vodenje obtožbe, Evropska unija se je dogovorila o Zakon o umetni inteligenci omejiti tehnologijo na določenih področjih.

Sintetične beljakovine v predpisih niso bile neposredno omenjene. To je odlična novica za izdelavo dizajnerskih beljakovin, ki bi jih preveč omejujoča ureditev lahko poškodovala, pišeta Baker in Church. Vendar pa je nova zakonodaja o umetni inteligenci v pripravi, pri čemer bo svetovalni organ Združenih narodov o umetni inteligenci delil smernice o mednarodna ureditev sredi tega leta.

Ker so sistemi umetne inteligence, ki se uporabljajo za izdelavo oblikovalskih proteinov, visoko specializirani, lahko še vedno letijo pod regulativnimi radarji – če se področje združi v globalnem prizadevanju za samoregulacijo.

Ob Varnostni vrh AI 2023, ki je razpravljal o načrtovanju beljakovin, ki podpira AI, so se strokovnjaki strinjali, da je dokumentiranje osnovne DNK vsake nove beljakovine ključno. Tako kot njihovi naravni primerki so tudi oblikovalski proteini zgrajeni iz genetske kode. Beleženje vseh sintetičnih zaporedij DNK v bazi podatkov bi lahko olajšalo odkrivanje rdečih zastavic za potencialno škodljive zasnove – na primer, če ima nov protein strukture, podobne znanim patogenim.

Biološka varnost ne ovira izmenjave podatkov. Sodelovanje je ključnega pomena za znanost, vendar avtorji priznavajo, da je še vedno potrebno zaščititi poslovne skrivnosti. Tako kot pri AI so lahko nekateri oblikovalski proteini potencialno uporabni, a prenevarni, da bi jih javno delili.

Eden od načinov za rešitev te uganke je neposredno dodajanje varnostnih ukrepov samemu procesu sinteze. Na primer, avtorji predlagajo dodajanje črtne kode, sestavljene iz naključnih črk DNK, vsakemu novemu genetskemu zaporedju. Za izdelavo proteina stroj za sintezo preišče njegovo zaporedje DNK in šele ko najde kodo, začne graditi protein.

Z drugimi besedami, prvotni snovalci proteina lahko izberejo, s kom bodo delili sintezo - ali ali jo bodo sploh delili -, medtem ko lahko še vedno opišejo svoje rezultate v publikacijah.

Strategija črtne kode, ki povezuje ustvarjanje novih beljakovin s strojem za sintezo, bi prav tako povečala varnost in odvrnila slabe akterje, kar bi otežilo ponovno ustvarjanje potencialno nevarnih izdelkov.

"Če se kjerkoli na svetu pojavi nova biološka grožnja, je mogoče povezanim zaporedjem DNK izslediti njihov izvor," so zapisali avtorji.

To bo težka pot. Varnost načrtovanih beljakovin bo odvisna od globalne podpore znanstvenikov, raziskovalnih ustanov in vlad, pišejo avtorji. Vendar pa so že bili uspehi. Globalne skupine so vzpostavile smernice za varnost in skupno rabo na drugih kontroverznih področjih, kot so raziskave matičnih celic, genski inženiring, možganski vsadki in umetna inteligenca. Čeprav se ne upošteva vedno –Dojenčki CRISPR so razvpit primer— večinoma so te mednarodne smernice pripomogle k napredku vrhunskih raziskav na varen in pravičen način.

Za Bakerja in Church odprte razprave o biološki varnosti ne bodo upočasnile tega področja. Namesto tega lahko združi različne sektorje in pritegne javno razpravo, tako da lahko oblikovanje beljakovin po meri še naprej uspeva.

Kreditno slike: Univerza v Washingtonu

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti