20年前、デザイナータンパク質をエンジニアリングすることは夢でした。
今では AI のおかげで、カスタム プロテインが 10 セントほどで作成できるようになりました。 オーダーメイドプロテイン 多くの場合、自然界では新しい能力を与える特定の形状やコンポーネントを持っています。持続期間の長い薬剤やタンパク質ベースのワクチンから、より環境に優しいバイオ燃料や プラスチックを食べる タンパク質の分野は急速に変革的なテクノロジーになりつつあります。
カスタムタンパク質の設計は深層学習技術に依存します。人間の想像を超えた何百万もの構造を夢見る大規模な言語モデル (OpenAI の大ヒット作 ChatGPT を支える AI) により、生物活性デザイナータンパク質のライブラリは急速に拡大する予定です。
「これは非常に力を与えてくれます」とワシントン大学のニール・キング博士は最近述べた 言われ 自然。 「1 年半前には不可能だったことが、今ならできるのです。」
しかし、大きな力には大きな責任が伴います。新たに設計されたタンパク質が医学や生物工学での利用にますます注目を集める中、科学者たちは現在、「これらの技術が凶悪な目的に使用されたらどうなるのか?」と考えています。
最近のエッセイで 科学 デザイナータンパク質のバイオセキュリティの必要性を強調しています。 AIの安全性についての継続的な議論と同様に、カスタムタンパク質が不正にならないようにバイオセキュリティのリスクとポリシーを検討する時期が来たと著者らは述べている。
このエッセイは、この分野の 2 人の専門家によって執筆されています。一人は、ディレクターのデイビッド・ベイカー博士です。 タンパク質デザイン研究所 ワシントン大学では、RoseTTAFold の開発を主導しました。このアルゴリズムは、アミノ酸配列のみからタンパク質の構造を解読するという 5 年来の問題を解決しました。もう一人は、ハーバード大学医学部のジョージ・チャーチ博士で、遺伝子工学と合成生物学の先駆者です。
彼らは、合成タンパク質には、それぞれの新しいタンパク質の遺伝子配列に埋め込まれたバーコードが必要であることを示唆しています。デザイナータンパク質のいずれかが脅威になった場合、たとえば、危険な大流行を引き起こす可能性がある場合、そのバーコードによってその起源を簡単に追跡できます。
このシステムは基本的に「監査証跡」を提供します、と二人は言います。 書きます.
世界が衝突する
デザイナータンパク質は AI と密接に結びついています。潜在的なバイオセキュリティ政策も同様です。
7 年以上前、Baker の研究室はソフトウェアを使用して、Top3 と呼ばれるタンパク質を設計および構築しました。タンパク質はアミノ酸と呼ばれる構成要素で構成されており、それぞれのアミノ酸は DNA 内にコード化されています。紐上のビーズのように、アミノ酸はくるくる回され、しわが寄って特定の XNUMXD 形状になり、多くの場合、タンパク質の機能をサポートする洗練された構造にさらに噛み合います。
Top7 は天然の細胞成分と「会話」することができず、生物学的効果はありませんでした。しかし、それでもチームは、 終了する 新しいタンパク質を設計することで、「自然界ではまだ観察されていないタンパク質宇宙の広大な領域」を探索することが可能になるという。
AIを入力してください。最近、従来の実験室での作業と比較して超音速で新しいタンパク質を設計するための複数の戦略が始まりました。
1 つは、DALL-E のような画像生成ツールに似た構造ベースの AI です。これらの AI システムはノイズの多いデータでトレーニングされ、ノイズを除去して現実的なタンパク質構造を見つける方法を学習します。拡散モデルと呼ばれるこのモデルは、生物学に適合するタンパク質構造を徐々に学習します。
もう 1 つの戦略は、大規模な言語モデルに依存しています。 ChatGPT と同様、このアルゴリズムはタンパク質の「単語」間のつながりを迅速に見つけ出し、これらのつながりを一種の生物学的文法に抽出します。これらのモデルが生成するタンパク質鎖は、身体が解読できる構造に折り畳まれる可能性があります。 一例 ProtGPT2 です。 エンジニアができる 新しい特性をもたらす可能性のある形状を持つ活性タンパク質。
デジタルから物理へ
これらの AI タンパク質設計プログラムは警鐘を鳴らしています。タンパク質は生命の構成要素であり、変化によって薬物、ウイルス、その他の病原体に対する細胞の反応が劇的に変わる可能性があります。
昨年、世界中の政府がAIの安全性を監督する計画を発表した。このテクノロジーは脅威として位置づけられていませんでした。その代わりに、議員らは研究がプライバシー法に準拠し、経済、公衆衛生、国防を強化することを保証する政策を慎重に具体化した。欧州連合はその先頭に立って、次のことに合意した。 AI法 特定の領域のテクノロジーを制限するため。
合成タンパク質は規制の中で直接言及されていませんでした。これは、過度に制限的な規制によって機能不全に陥る可能性があるデザイナータンパク質の製造にとっては朗報である、とベイカー氏とチャーチ氏は書いている。しかし、新たな AI 法案の制定が進行中であり、AI に関する国連の諮問機関は、AI に関するガイドラインを共有する予定です。 国際規制 今年の中頃。
デザイナータンパク質の製造に使用される AI システムは高度に専門化されているため、世界的な自主規制の取り組みで現場が団結すれば、依然として規制のレーダーを無視できる可能性があります。
に 2023 AI セーフティ サミットAI を活用したタンパク質設計について議論した論文では、専門家は、それぞれの新しいタンパク質の基礎となる DNA を文書化することが重要であることに同意しました。天然のタンパク質と同様に、デザイナータンパク質も遺伝暗号から構築されます。すべての合成 DNA 配列をデータベースに記録すると、たとえば、新しいタンパク質が既知の病原性タンパク質と類似した構造を持っている場合など、潜在的に有害な設計に対する危険信号を簡単に発見できる可能性があります。
バイオセキュリティはデータ共有を妨害しません。科学にとってコラボレーションは不可欠ですが、企業秘密を保護するためにはコラボレーションが依然として必要であることを著者らは認めています。また、AI と同様に、一部のデザイナー プロテインは潜在的に役立つ可能性がありますが、公然と共有するには危険すぎる可能性があります。
この難題を回避する 1 つの方法は、合成プロセス自体に安全対策を直接追加することです。たとえば、著者らは、ランダムな DNA 文字からなるバーコードを新しい遺伝子配列に追加することを提案しています。タンパク質を構築するために、合成機械はその DNA 配列を検索し、コードが見つかった場合にのみタンパク質の構築を開始します。
言い換えれば、タンパク質の元の設計者は、合成結果を出版物で説明しながら、合成を誰と共有するか、またはそもそも共有するかどうかを選択できます。
新しいタンパク質の製造と合成機械を結び付けるバーコード戦略は、セキュリティを強化し、悪者を阻止し、潜在的に危険な製品を再作成することを困難にするでしょう。
「世界のどこかで新たな生物学的脅威が出現した場合、関連するDNA配列をその起源まで追跡できる可能性がある」と著者らは書いている。
厳しい道になるだろう。デザイナータンパク質の安全性は、科学者、研究機関、政府からの世界的な支援に依存すると著者らは書いています。ただし、これまでの成功例もあります。世界的なグループは、幹細胞研究、遺伝子工学、脳インプラント、AI など、物議を醸している他の分野でも安全性と共有のガイドラインを確立しています。常に従うわけではありませんが—CRISPR の赤ちゃんは悪名高い例です—これらの国際ガイドラインは、ほとんどの場合、安全かつ公平な方法で最先端の研究を進めるのに役立ってきました。
ベイカー氏とチャーチ氏にとって、バイオセキュリティに関するオープンな議論はこの分野の発展を遅らせるものではない。むしろ、さまざまな分野を結集させ、公開の議論を巻き込むことができるため、カスタムタンパク質の設計がさらに繁栄する可能性があります。
画像のクレジット： ワシントン大学
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- 情報源： https://singularityhub.com/2024/01/29/ai-can-design-totally-new-proteins-from-scratch-its-time-to-talk-biosecurity/
