Πριν από δύο δεκαετίες, οι πρωτεΐνες σχεδιαστών μηχανικής ήταν ένα όνειρο.

Τώρα, χάρη στην τεχνητή νοημοσύνη, οι προσαρμοσμένες πρωτεΐνες είναι μια δεκάρα μια ντουζίνα. Πρωτεΐνες κατά παραγγελία έχουν συχνά συγκεκριμένα σχήματα ή συστατικά που τους δίνουν νέες ικανότητες στη φύση. Από φάρμακα μεγαλύτερης διάρκειας και εμβόλια με βάση τις πρωτεΐνες, μέχρι πιο πράσινα βιοκαύσιμα και πλαστικοφαγία πρωτεϊνών, το πεδίο γίνεται γρήγορα μια μετασχηματιστική τεχνολογία.

Ο προσαρμοσμένος σχεδιασμός πρωτεΐνης εξαρτάται από τεχνικές βαθιάς εκμάθησης. Με μεγάλα γλωσσικά μοντέλα -το AI πίσω από το blockbuster ChatGPT του OpenAI- που ονειρεύονται εκατομμύρια δομές πέρα ​​από την ανθρώπινη φαντασία, η βιβλιοθήκη βιοδραστικών πρωτεϊνών σχεδιαστών πρόκειται να επεκταθεί γρήγορα.

«Είναι εξαιρετικά ενδυναμωτικό», είπε πρόσφατα ο Δρ Neil King στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον είπε Φύση. «Πράγματα που ήταν αδύνατα πριν από ενάμιση χρόνο - τώρα απλά το κάνεις».

Ωστόσο, με τη μεγάλη δύναμη έρχεται μεγάλη ευθύνη. Καθώς οι πρωτεΐνες που σχεδιάστηκαν πρόσφατα αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη έλξη για χρήση στην ιατρική και τη βιομηχανική, οι επιστήμονες αναρωτιούνται τώρα: Τι θα συμβεί εάν αυτές οι τεχνολογίες χρησιμοποιούνται για κακόβουλους σκοπούς;

Ένα πρόσφατο δοκίμιο στο Επιστήμη υπογραμμίζει την ανάγκη για βιοασφάλεια για πρωτεΐνες σχεδιαστών. Παρόμοια με τις συνεχιζόμενες συζητήσεις σχετικά με την ασφάλεια της τεχνητής νοημοσύνης, οι συγγραφείς λένε ότι είναι καιρός να εξετάσουμε τους κινδύνους και τις πολιτικές βιοασφάλειας, ώστε οι προσαρμοσμένες πρωτεΐνες να μην γίνονται απατεώνες.

Το δοκίμιο συντάσσεται από δύο ειδικούς στον τομέα. Ο ένας, ο Δρ Ντέιβιντ Μπέικερ, ο διευθυντής του Ινστιτούτο Σχεδιασμού Πρωτεϊνών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ηγήθηκε της ανάπτυξης του RoseTTAFold - ενός αλγόριθμου που έλυσε το πρόβλημα μισής δεκαετίας της αποκωδικοποίησης της δομής της πρωτεΐνης μόνο από τις αλληλουχίες αμινοξέων της. Ο άλλος, ο Δρ Τζορτζ Τσερτς στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, είναι πρωτοπόρος στη γενετική μηχανική και τη συνθετική βιολογία.

Προτείνουν ότι οι συνθετικές πρωτεΐνες χρειάζονται γραμμικούς κώδικες ενσωματωμένους στη γενετική αλληλουχία κάθε νέας πρωτεΐνης. Εάν κάποια από τις πρωτεΐνες σχεδιαστών γίνει απειλή - ας πούμε, πιθανώς να πυροδοτήσει μια επικίνδυνη εστία - ο γραμμωτός κώδικας της θα καθιστούσε εύκολο τον εντοπισμό της προέλευσής της.

Το σύστημα παρέχει βασικά «μια διαδρομή ελέγχου», το δίδυμο γράφω.

Οι Κόσμοι Συγκλίνουν

Οι πρωτεΐνες σχεδιαστών είναι άρρηκτα συνδεδεμένες με την τεχνητή νοημοσύνη. Το ίδιο και οι πιθανές πολιτικές βιοασφάλειας.

Πριν από πάνω από μια δεκαετία, το εργαστήριο του Baker χρησιμοποίησε λογισμικό για να σχεδιάσει και να κατασκευάσει μια πρωτεΐνη που ονομάστηκε Top7. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται αμινοξέα, καθένα από τα οποία κωδικοποιείται μέσα στο DNA μας. Όπως τα σφαιρίδια σε μια χορδή, τα αμινοξέα στη συνέχεια στροβιλίζονται και τσαλακώνονται σε συγκεκριμένα τρισδιάστατα σχήματα, τα οποία συχνά συνδυάζονται περαιτέρω σε εξελιγμένες αρχιτεκτονικές που υποστηρίζουν τη λειτουργία της πρωτεΐνης.

Το Top7 δεν μπορούσε να «μιλήσει» με φυσικά συστατικά του κυττάρου - δεν είχε καμία βιολογική επίδραση. Αλλά και τότε, η ομάδα Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο σχεδιασμός νέων πρωτεϊνών καθιστά δυνατή την εξερεύνηση «των μεγάλων περιοχών του πρωτεϊνικού σύμπαντος που δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί στη φύση».

Εισαγάγετε AI. Πολλαπλές στρατηγικές απογειώθηκαν πρόσφατα για το σχεδιασμό νέων πρωτεϊνών σε υπερηχητικές ταχύτητες σε σύγκριση με την παραδοσιακή εργαστηριακή εργασία.

Το ένα είναι τεχνητή νοημοσύνη που βασίζεται σε δομή παρόμοια με εργαλεία δημιουργίας εικόνας όπως το DALL-E. Αυτά τα συστήματα AI εκπαιδεύονται σε θορυβώδη δεδομένα και μαθαίνουν να αφαιρούν το θόρυβο για να βρίσκουν ρεαλιστικές δομές πρωτεΐνης. Ονομάζονται μοντέλα διάχυσης, μαθαίνουν σταδιακά πρωτεϊνικές δομές που είναι συμβατές με τη βιολογία.

Μια άλλη στρατηγική βασίζεται σε μεγάλα γλωσσικά μοντέλα. Όπως το ChatGPT, οι αλγόριθμοι βρίσκουν γρήγορα συνδέσεις μεταξύ πρωτεϊνικών «λέξεων» και αποστάζουν αυτές τις συνδέσεις σε ένα είδος βιολογικής γραμματικής. Οι πρωτεϊνικοί κλώνοι που δημιουργούν αυτά τα μοντέλα είναι πιθανό να διπλωθούν σε δομές που μπορεί να αποκρυπτογραφήσει το σώμα. Ένα παράδειγμα είναι το ProtGPT2, το οποίο μπορεί μηχανικός ενεργές πρωτεΐνες με σχήματα που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες ιδιότητες.

Ψηφιακό σε Φυσικό

Αυτά τα προγράμματα σχεδίασης πρωτεΐνης τεχνητής νοημοσύνης προκαλούν κώδωνα κινδύνου. Οι πρωτεΐνες είναι τα δομικά στοιχεία της ζωής - οι αλλαγές θα μπορούσαν να αλλάξουν δραματικά τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα ανταποκρίνονται σε φάρμακα, ιούς ή άλλα παθογόνα.

Πέρυσι, οι κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο ανακοίνωσαν σχέδια για την επίβλεψη της ασφάλειας της τεχνητής νοημοσύνης. Η τεχνολογία δεν τοποθετήθηκε ως απειλή. Αντίθετα, οι νομοθέτες επεξεργάστηκαν προσεκτικά πολιτικές που διασφαλίζουν ότι η έρευνα ακολουθεί τους νόμους περί απορρήτου και ενισχύει την οικονομία, τη δημόσια υγεία και την εθνική άμυνα. Επικεφαλής της κατηγορίας, η Ευρωπαϊκή Ένωση συμφώνησε στο AI Act για τον περιορισμό της τεχνολογίας σε ορισμένους τομείς.

Οι συνθετικές πρωτεΐνες δεν αναφέρονται απευθείας στους κανονισμούς. Αυτά είναι σπουδαία νέα για την παραγωγή πρωτεϊνών σχεδιαστών, οι οποίες θα μπορούσαν να καλυφθούν από υπερβολικά περιοριστική ρύθμιση, γράφουν οι Baker and Church. Ωστόσο, η νέα νομοθεσία για την τεχνητή νοημοσύνη βρίσκεται στα σκαριά, με το συμβουλευτικό όργανο των Ηνωμένων Εθνών για την τεχνητή νοημοσύνη να μοιράζεται κατευθυντήριες γραμμές για διεθνής κανονισμός στα μέσα του τρέχοντος έτους.

Επειδή τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πρωτεϊνών σχεδιαστών είναι εξαιρετικά εξειδικευμένα, ενδέχεται να εξακολουθούν να πετούν κάτω από ρυθμιστικά ραντάρ — εάν το πεδίο ενωθεί σε μια παγκόσμια προσπάθεια αυτορρύθμισης.

Στο 2023 AI Safety Summit, όπου συζήτησαν τον σχεδιασμό πρωτεϊνών με δυνατότητα AI, οι ειδικοί συμφώνησαν ότι η τεκμηρίωση του υποκείμενου DNA κάθε νέας πρωτεΐνης είναι το κλειδί. Όπως οι φυσικές αντίστοιχές τους, οι πρωτεΐνες σχεδιαστών είναι επίσης κατασκευασμένες από γενετικό κώδικα. Η καταγραφή όλων των συνθετικών αλληλουχιών DNA σε μια βάση δεδομένων θα μπορούσε να διευκολύνει τον εντοπισμό κόκκινων σημαιών για δυνητικά επιβλαβή σχέδια - για παράδειγμα, εάν μια νέα πρωτεΐνη έχει δομές παρόμοιες με γνωστές παθογόνες.

Η βιοασφάλεια δεν εμποδίζει την κοινή χρήση δεδομένων. Η συνεργασία είναι κρίσιμη για την επιστήμη, αλλά οι συγγραφείς αναγνωρίζουν ότι εξακολουθεί να είναι απαραίτητο να προστατεύονται τα εμπορικά μυστικά. Και όπως στην τεχνητή νοημοσύνη, ορισμένες πρωτεΐνες σχεδιαστών μπορεί να είναι δυνητικά χρήσιμες αλλά πολύ επικίνδυνες για να τις μοιραστούμε ανοιχτά.

Ένας τρόπος γύρω από αυτό το αίνιγμα είναι να προσθέσουμε άμεσα μέτρα ασφαλείας στην ίδια τη διαδικασία της σύνθεσης. Για παράδειγμα, οι συγγραφείς προτείνουν την προσθήκη ενός γραμμικού κώδικα—φτιαγμένο από τυχαία γράμματα DNA—σε κάθε νέα γενετική αλληλουχία. Για την κατασκευή της πρωτεΐνης, μια μηχανή σύνθεσης αναζητά την αλληλουχία DNA της και μόνο όταν βρει τον κώδικα θα αρχίσει να δημιουργεί την πρωτεΐνη.

Με άλλα λόγια, οι αρχικοί σχεδιαστές της πρωτεΐνης μπορούν να επιλέξουν με ποιον θα μοιραστούν τη σύνθεση —ή αν θα τη μοιραστούν καθόλου— ενώ θα μπορούν να περιγράψουν τα αποτελέσματά τους σε δημοσιεύσεις.

Μια στρατηγική γραμμικού κώδικα που συνδέει την παραγωγή νέων πρωτεϊνών με μια μηχανή σύνθεσης θα ενίσχυε επίσης την ασφάλεια και θα αποτρέψει τους κακούς παράγοντες, καθιστώντας δύσκολη την αναδημιουργία δυνητικά επικίνδυνων προϊόντων.

«Εάν μια νέα βιολογική απειλή εμφανιστεί οπουδήποτε στον κόσμο, οι σχετικές αλληλουχίες DNA θα μπορούσαν να εντοπιστούν στην προέλευσή τους», έγραψαν οι συγγραφείς.

Θα είναι ένας δύσκολος δρόμος. Η ασφάλεια των πρωτεϊνών σχεδιαστών θα εξαρτηθεί από την παγκόσμια υποστήριξη από επιστήμονες, ερευνητικά ιδρύματα και κυβερνήσεις, γράφουν οι συγγραφείς. Ωστόσο, υπήρξαν προηγούμενες επιτυχίες. Οι παγκόσμιες ομάδες έχουν καθιερώσει οδηγίες ασφάλειας και κοινής χρήσης σε άλλα αμφιλεγόμενα πεδία, όπως η έρευνα για τα βλαστοκύτταρα, η γενετική μηχανική, τα εμφυτεύματα εγκεφάλου και η τεχνητή νοημοσύνη. Αν και δεν ακολουθείται πάντα -Τα μωρά CRISPR είναι ένα περιβόητο παράδειγμα— ως επί το πλείστον, αυτές οι διεθνείς κατευθυντήριες γραμμές βοήθησαν στην προώθηση της έρευνας αιχμής με ασφαλή και δίκαιο τρόπο.

Για τον Baker και την Church, οι ανοιχτές συζητήσεις για τη βιοασφάλεια δεν θα επιβραδύνουν το πεδίο. Αντίθετα, μπορεί να συγκεντρώσει διαφορετικούς τομείς και να εμπλακεί σε δημόσια συζήτηση, ώστε ο προσαρμοσμένος σχεδιασμός πρωτεΐνης να μπορεί να ευδοκιμήσει περαιτέρω.

Image Credit: University of Washington

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2024/01/29/ai-can-design-totally-new-proteins-from-scratch-its-time-to-talk-biosecurity/