Twintig jaar geleden was het ontwerpen van designereiwitten een droom.

Dankzij AI zijn aangepaste eiwitten nu dertien in een dozijn. Op bestelling gemaakte eiwitten hebben vaak specifieke vormen of componenten die hen vaardigheden geven die nieuw zijn voor de natuur. Van medicijnen die langer meegaan en op eiwitten gebaseerde vaccins, tot groenere biobrandstoffen plastic eten eiwitten, is het veld in snel tempo een transformatieve technologie aan het worden.

Aangepast eiwitontwerp is afhankelijk van deep learning-technieken. Met grote taalmodellen – de AI achter OpenAI's blockbuster ChatGPT – die miljoenen structuren bedenken die de menselijke verbeelding te boven gaan, zal de bibliotheek van bioactieve designer-eiwitten zich snel uitbreiden.

“Het geeft enorm veel kracht”, zei Dr. Neil King onlangs van de Universiteit van Washington vertelde NATUUR. “Dingen die anderhalf jaar geleden onmogelijk waren, doe je het nu gewoon.”

Maar met grote macht komt ook een grote verantwoordelijkheid. Terwijl nieuw ontworpen eiwitten steeds meer terrein winnen voor gebruik in de geneeskunde en bio-engineering, vragen wetenschappers zich nu af: wat gebeurt er als deze technologieën voor snode doeleinden worden gebruikt?

Een recent essay in Wetenschap benadrukt de noodzaak van bioveiligheid voor designereiwitten. Net als bij de lopende gesprekken over de veiligheid van AI, zeggen de auteurs dat het tijd is om bioveiligheidsrisico's en -beleid in overweging te nemen, zodat op maat gemaakte eiwitten niet schurkenstaten worden.

Het essay is geschreven door twee deskundigen op dit gebied. Eén, Dr. David Baker, de directeur van de Instituut voor eiwitontwerp aan de Universiteit van Washington leidde de ontwikkeling van RoseTTAFold – een algoritme dat het vijftigjarige probleem van het decoderen van de eiwitstructuur alleen op basis van de aminozuursequenties oploste. De andere, Dr. George Church van de Harvard Medical School, is een pionier op het gebied van genetische manipulatie en synthetische biologie.

Ze suggereren dat synthetische eiwitten streepjescodes nodig hebben die zijn ingebed in de genetische sequentie van elk nieuw eiwit. Als een van de designereiwitten een bedreiging wordt – bijvoorbeeld en mogelijk een gevaarlijke uitbraak veroorzaakt – zou de streepjescode het gemakkelijk maken om de oorsprong ervan te traceren.

Het systeem biedt in feite ‘een audittrail’, aldus het duo schrijven.

Werelden botsen

Designer-eiwitten zijn onlosmakelijk verbonden met AI. Dat geldt ook voor potentieel bioveiligheidsbeleid.

Meer dan tien jaar geleden gebruikte Baker's laboratorium software om een ​​eiwit genaamd Top7 te ontwerpen en te bouwen. Eiwitten zijn gemaakt van bouwstenen die aminozuren worden genoemd en die elk gecodeerd zijn in ons DNA. Als kralen aan een touwtje worden aminozuren vervolgens rondgedraaid en gerimpeld in specifieke 3D-vormen, die vaak verder samengaan in geavanceerde architecturen die de functie van het eiwit ondersteunen.

Top7 kon niet “praten” met natuurlijke celcomponenten – het had geen enkel biologisch effect. Maar zelfs dan, het team gesloten dat het ontwerpen van nieuwe eiwitten het mogelijk maakt om “de grote gebieden van het eiwituniversum te verkennen die nog niet in de natuur zijn waargenomen.”

Voer AI in. Onlangs zijn er meerdere strategieën van start gegaan om nieuwe eiwitten te ontwerpen met supersonische snelheden vergeleken met traditioneel laboratoriumwerk.

Een daarvan is op structuur gebaseerde AI, vergelijkbaar met beeldgenererende tools zoals DALL-E. Deze AI-systemen zijn getraind op luidruchtige gegevens en leren de ruis te verwijderen om realistische eiwitstructuren te vinden. Ze worden diffusiemodellen genoemd en leren geleidelijk eiwitstructuren die compatibel zijn met de biologie.

Een andere strategie is gebaseerd op grote taalmodellen. Net als ChatGPT vinden de algoritmen snel verbindingen tussen eiwitwoorden en distilleren deze verbindingen in een soort biologische grammatica. De eiwitstrengen die deze modellen genereren, zullen zich waarschijnlijk vouwen tot structuren die het lichaam kan ontcijferen. Een voorbeeld is ProtGPT2, dat kan engineeren actieve eiwitten met vormen die tot nieuwe eigenschappen kunnen leiden.

Digitaal naar fysiek

Deze AI-eiwitontwerpprogramma’s doen alarmbellen rinkelen. Eiwitten zijn de bouwstenen van het leven; veranderingen kunnen de manier waarop cellen reageren op medicijnen, virussen of andere ziekteverwekkers dramatisch veranderen.

Vorig jaar kondigden regeringen over de hele wereld plannen aan om toezicht te houden op de veiligheid van AI. De technologie werd niet als een bedreiging gepositioneerd. In plaats daarvan hebben de wetgevers voorzichtig beleid uitgewerkt dat ervoor zorgt dat onderzoek de privacywetten volgt en de economie, de volksgezondheid en de nationale defensie versterkt. De Europese Unie, die de leiding had, was het eens over de AI-wet om de technologie in bepaalde domeinen te beperken.

Synthetische eiwitten werden in de regelgeving niet direct genoemd. Dat is geweldig nieuws voor het maken van designereiwitten, die door al te restrictieve regelgeving in de problemen zouden kunnen komen, schrijven Baker en Church. Er is echter nieuwe AI-wetgeving in de maak, en het adviesorgaan van de Verenigde Naties voor AI zal richtlijnen hierover delen internationale regelgeving halverwege dit jaar.

Omdat de AI-systemen die worden gebruikt om designereiwitten te maken zeer gespecialiseerd zijn, kunnen ze nog steeds onder toezichtsradars vliegen – als het veld zich verenigt in een mondiale poging tot zelfregulering.

Op de AI-veiligheidstop 2023, waarin AI-ondersteund eiwitontwerp werd besproken, waren experts het erover eens dat het documenteren van het onderliggende DNA van elk nieuw eiwit cruciaal is. Net als hun natuurlijke tegenhangers zijn designereiwitten ook opgebouwd uit genetische code. Het loggen van alle synthetische DNA-sequenties in een database zou het gemakkelijker kunnen maken om waarschuwingssignalen voor potentieel schadelijke ontwerpen te herkennen, bijvoorbeeld als een nieuw eiwit structuren heeft die lijken op bekende pathogene.

Bioveiligheid staat het delen van gegevens niet in de weg. Samenwerking is van cruciaal belang voor de wetenschap, maar de auteurs erkennen dat het nog steeds noodzakelijk is om bedrijfsgeheimen te beschermen. En net als bij AI kunnen sommige designer-eiwitten potentieel nuttig zijn, maar te gevaarlijk om openlijk te delen.

Eén manier om dit raadsel te omzeilen is door direct veiligheidsmaatregelen toe te voegen aan het syntheseproces zelf. De auteurs stellen bijvoorbeeld voor om aan elke nieuwe genetische sequentie een streepjescode, gemaakt van willekeurige DNA-letters, toe te voegen. Om het eiwit te bouwen, doorzoekt een synthesemachine de DNA-sequentie, en pas als hij de code vindt, begint hij met het bouwen van het eiwit.

Met andere woorden: de oorspronkelijke ontwerpers van het eiwit kunnen kiezen met wie ze de synthese willen delen – of überhaupt willen delen – terwijl ze nog steeds hun resultaten in publicaties kunnen beschrijven.

Een barcodestrategie die het maken van nieuwe eiwitten koppelt aan een synthesemachine zou ook de veiligheid vergroten en slechte actoren afschrikken, waardoor het moeilijk wordt om potentieel gevaarlijke producten opnieuw te maken.

“Als er ergens ter wereld een nieuwe biologische dreiging opduikt, kunnen de bijbehorende DNA-sequenties tot hun oorsprong worden herleid”, schreven de auteurs.

Het zal een moeilijke weg zijn. De veiligheid van designereiwitten zal afhangen van de mondiale steun van wetenschappers, onderzoeksinstellingen en overheden, schrijven de auteurs. Er zijn echter eerdere successen geboekt. Mondiale groepen hebben veiligheids- en uitwisselingsrichtlijnen opgesteld op andere controversiële gebieden, zoals stamcelonderzoek, genetische manipulatie, hersenimplantaten en AI. Hoewel niet altijd gevolgd -CRISPR-baby’s zijn een berucht voorbeeld– deze internationale richtlijnen hebben er voor het grootste deel toe bijgedragen dat baanbrekend onderzoek op een veilige en rechtvaardige manier vooruitgang wordt geboekt.

Volgens Baker en Church zullen open discussies over bioveiligheid het veld niet vertragen. Integendeel, het kan verschillende sectoren bijeenbrengen en de publieke discussie aangaan, zodat het ontwerp van aangepaste eiwitten verder kan gedijen.

Krediet van het beeld: Universiteit van Washington

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2024/01/29/ai-can-design-totally-new-proteins-from-scratch-its-time-to-talk-biosecurity/