เมื่อสองทศวรรษที่แล้ว โปรตีนผู้ออกแบบด้านวิศวกรรมคือความฝัน

ต้องขอบคุณ AI ที่ทำให้โปรตีนแบบกำหนดเองมีราคาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น โปรตีนสั่งทำ มักมีรูปร่างหรือส่วนประกอบเฉพาะที่ทำให้มีความสามารถแปลกใหม่ต่อธรรมชาติ ตั้งแต่ยาที่ใช้งานได้ยาวนานและวัคซีนจากโปรตีน ไปจนถึงเชื้อเพลิงชีวภาพที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและ กินพลาสติก โปรตีน สนามกำลังกลายเป็นเทคโนโลยีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

การออกแบบโปรตีนแบบกำหนดเองขึ้นอยู่กับเทคนิคการเรียนรู้เชิงลึก ด้วยโมเดลภาษาขนาดใหญ่ ซึ่งเป็น AI ที่อยู่เบื้องหลัง ChatGPT ภาพยนตร์บล็อกบัสเตอร์ของ OpenAI ที่ฝันถึงโครงสร้างนับล้านที่อยู่นอกเหนือจินตนาการของมนุษย์ คลังโปรตีนจากนักออกแบบที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพจึงถูกกำหนดให้ขยายตัวอย่างรวดเร็ว

“มันเป็นการเพิ่มขีดความสามารถอย่างมหาศาล” ดร. นีล คิง แห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตันเมื่อเร็ว ๆ นี้ บอก ธรรมชาติ. “สิ่งที่เป็นไปไม่ได้เมื่อหนึ่งปีครึ่งที่แล้ว ตอนนี้คุณก็แค่ทำมัน”

แต่พลังอันยิ่งใหญ่ก็มาพร้อมกับความรับผิดชอบอันยิ่งใหญ่ เนื่องจากโปรตีนที่ออกแบบใหม่ได้รับแรงฉุดมากขึ้นเพื่อใช้ในการแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพ นักวิทยาศาสตร์จึงสงสัยว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเทคโนโลยีเหล่านี้ถูกใช้เพื่อจุดประสงค์ที่ชั่วร้าย

บทความล่าสุดใน วิทยาศาสตร์ เน้นย้ำถึงความจำเป็นด้านความปลอดภัยทางชีวภาพสำหรับโปรตีนจากนักออกแบบ เช่นเดียวกับการสนทนาอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับความปลอดภัยของ AI ผู้เขียนกล่าวว่าถึงเวลาที่จะต้องพิจารณาความเสี่ยงและนโยบายด้านความปลอดภัยทางชีวภาพ เพื่อให้โปรตีนแบบกำหนดเองไม่เกิดการโกง

เรียงความนี้เขียนโดยผู้เชี่ยวชาญสองคนในสาขานี้ รายหนึ่ง ดร.เดวิด เบเกอร์ ผู้อำนวยการของ สถาบันออกแบบโปรตีน ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน เป็นผู้นำในการพัฒนา RoseTTAFold ซึ่งเป็นอัลกอริธึมที่ช่วยแก้ปัญหาครึ่งทศวรรษของการถอดรหัสโครงสร้างโปรตีนจากลำดับกรดอะมิโนเพียงอย่างเดียว อีกคนหนึ่งคือโบสถ์ Dr. George ที่ Harvard Medical School เป็นผู้บุกเบิกด้านพันธุวิศวกรรมและชีววิทยาสังเคราะห์

พวกเขาแนะนำว่าโปรตีนสังเคราะห์จำเป็นต้องมีบาร์โค้ดที่ฝังอยู่ในลำดับทางพันธุกรรมของโปรตีนใหม่แต่ละตัว หากโปรตีนจากนักออกแบบตัวใดกลายเป็นภัยคุกคาม เช่น อาจก่อให้เกิดการระบาดที่เป็นอันตราย บาร์โค้ดของโปรตีนดังกล่าวจะทำให้ง่ายต่อการติดตามกลับไปยังต้นกำเนิด

โดยพื้นฐานแล้วระบบจะให้ "เส้นทางการตรวจสอบ" แก่ทั้งคู่ เขียน.

โลกชนกัน

โปรตีนจากนักออกแบบเชื่อมโยงกับ AI อย่างแยกไม่ออก นโยบายความปลอดภัยทางชีวภาพที่เป็นไปได้ก็เช่นกัน

กว่าทศวรรษที่ผ่านมา ห้องทดลองของ Baker ใช้ซอฟต์แวร์เพื่อออกแบบและสร้างโปรตีนที่มีชื่อว่า Top7 โปรตีนประกอบด้วยส่วนประกอบที่เรียกว่ากรดอะมิโน ซึ่งแต่ละส่วนประกอบถูกเข้ารหัสภายใน DNA ของเรา เช่นเดียวกับเม็ดบีดบนเชือก กรดอะมิโนจะถูกหมุนวนและเหี่ยวย่นเป็นรูปทรง 3 มิติที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งมักจะต่อเข้ากับสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อนซึ่งสนับสนุนการทำงานของโปรตีน

Top7 ไม่สามารถ “พูดคุย” กับส่วนประกอบของเซลล์ตามธรรมชาติได้ เนื่องจากไม่มีผลกระทบทางชีวภาพใดๆ แต่ถึงอย่างนั้นทีมงาน สรุป การออกแบบโปรตีนใหม่ทำให้สามารถสำรวจ “พื้นที่ขนาดใหญ่ของจักรวาลโปรตีนที่ยังไม่ได้พบเห็นในธรรมชาติ”

เข้าเอไอ. เมื่อเร็วๆ นี้ มีการใช้กลยุทธ์หลายอย่างเพื่อออกแบบโปรตีนใหม่ที่ความเร็วเหนือเสียงเมื่อเปรียบเทียบกับงานในห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิม

หนึ่งคือ AI ตามโครงสร้างที่คล้ายกับเครื่องมือสร้างภาพเช่น DALL-E ระบบ AI เหล่านี้ได้รับการฝึกฝนเกี่ยวกับข้อมูลที่มีสัญญาณรบกวน และเรียนรู้ที่จะลบสัญญาณรบกวนเพื่อค้นหาโครงสร้างโปรตีนที่สมจริง เรียกว่าแบบจำลองการแพร่กระจาย โดยจะค่อยๆ เรียนรู้โครงสร้างโปรตีนที่เข้ากันได้กับชีววิทยา

อีกกลยุทธ์หนึ่งอาศัยโมเดลภาษาขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับ ChatGPT อัลกอริธึมจะค้นหาความเชื่อมโยงระหว่าง "คำ" ของโปรตีนอย่างรวดเร็ว และกลั่นกรองการเชื่อมต่อเหล่านี้เป็นไวยากรณ์ทางชีววิทยา เส้นโปรตีนที่แบบจำลองเหล่านี้สร้างขึ้นมีแนวโน้มที่จะพับเป็นโครงสร้างที่ร่างกายสามารถถอดรหัสได้ ตัวอย่างหนึ่ง คือ ProtGPT2 ซึ่ง สามารถเป็นวิศวกรได้ โปรตีนที่มีรูปร่างที่สามารถนำไปสู่คุณสมบัติใหม่ได้

ดิจิทัลเป็นกายภาพ

โปรแกรมการออกแบบโปรตีน AI เหล่านี้กำลังส่งสัญญาณเตือนภัย โปรตีนเป็นองค์ประกอบสำคัญของชีวิต การเปลี่ยนแปลงสามารถเปลี่ยนแปลงวิธีที่เซลล์ตอบสนองต่อยา ไวรัส หรือเชื้อโรคอื่นๆ เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

เมื่อปีที่แล้ว รัฐบาลทั่วโลกประกาศแผนการกำกับดูแลความปลอดภัยของ AI เทคโนโลยีไม่ได้ถูกมองว่าเป็นภัยคุกคาม ในทางกลับกัน สมาชิกสภานิติบัญญัติกลับร่างนโยบายอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าการวิจัยเป็นไปตามกฎหมายความเป็นส่วนตัว และส่งเสริมเศรษฐกิจ สาธารณสุข และการป้องกันประเทศ สหภาพยุโรปเห็นพ้องในเรื่องดังกล่าว พระราชบัญญัติ AI เพื่อจำกัดเทคโนโลยีในบางโดเมน

โปรตีนสังเคราะห์ไม่ได้ถูกระบุโดยตรงในข้อบังคับ นั่นเป็นข่าวดีสำหรับการสร้างโปรตีนจากนักออกแบบซึ่งอาจถูกจำกัดโดยกฎระเบียบที่เข้มงวดมากเกินไป เขียนโดย Baker และ Church อย่างไรก็ตาม กฎหมาย AI ใหม่อยู่ระหว่างดำเนินการ โดยหน่วยงานที่ปรึกษาด้าน AI ของสหประชาชาติกำหนดให้แบ่งปันแนวทางเกี่ยวกับ กฎระเบียบระหว่างประเทศ ในช่วงกลางปีนี้

เนื่องจากระบบ AI ที่ใช้สร้างโปรตีนจากนักออกแบบมีความเชี่ยวชาญสูง จึงอาจยังคงอยู่ภายใต้เรดาร์ด้านกฎระเบียบ หากภาคสนามรวมตัวกันในความพยายามระดับโลกในการควบคุมตนเอง

ที่ การประชุมสุดยอดความปลอดภัยด้าน AI ปี 2023ซึ่งได้หารือเกี่ยวกับการออกแบบโปรตีนที่ใช้ AI ผู้เชี่ยวชาญเห็นพ้องกันว่าการบันทึก DNA ของโปรตีนใหม่แต่ละตัวเป็นกุญแจสำคัญ เช่นเดียวกับโปรตีนที่ออกแบบโดยธรรมชาติก็ถูกสร้างขึ้นจากรหัสพันธุกรรมเช่นกัน การบันทึกลำดับ DNA สังเคราะห์ทั้งหมดในฐานข้อมูลอาจช่วยให้มองเห็นธงสีแดงสำหรับการออกแบบที่อาจเป็นอันตรายได้ง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น หากโปรตีนใหม่มีโครงสร้างคล้ายกับโปรตีนที่ทำให้เกิดโรค

ความปลอดภัยทางชีวภาพไม่ทำลายการแบ่งปันข้อมูล การทำงานร่วมกันถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์ แต่ผู้เขียนรับทราบว่ายังคงจำเป็นต้องปกป้องความลับทางการค้า และเช่นเดียวกับใน AI โปรตีนจากนักออกแบบบางชนิดอาจมีประโยชน์แต่ก็อันตรายเกินกว่าจะเปิดเผยอย่างเปิดเผย

วิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงปริศนานี้คือการเพิ่มมาตรการความปลอดภัยให้กับกระบวนการสังเคราะห์โดยตรง ตัวอย่างเช่น ผู้เขียนแนะนำให้เพิ่มบาร์โค้ดซึ่งทำจากตัวอักษร DNA แบบสุ่ม ในแต่ละลำดับทางพันธุกรรมใหม่ ในการสร้างโปรตีน เครื่องสังเคราะห์จะค้นหาลำดับดีเอ็นเอของมัน และเมื่อพบรหัสเท่านั้นจึงจะเริ่มสร้างโปรตีนได้

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ผู้ออกแบบโปรตีนดั้งเดิมสามารถเลือกได้ว่าจะแบ่งปันการสังเคราะห์กับใคร หรือว่าจะแบ่งปันการสังเคราะห์เลยหรือไม่ ในขณะที่ยังสามารถอธิบายผลลัพธ์ของพวกเขาในสิ่งตีพิมพ์ได้

กลยุทธ์บาร์โค้ดที่เชื่อมโยงการสร้างโปรตีนใหม่เข้ากับเครื่องสังเคราะห์จะช่วยเพิ่มความปลอดภัยและยับยั้งผู้ไม่ประสงค์ดี ทำให้ยากต่อการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อาจเป็นอันตรายขึ้นมาใหม่

“หากภัยคุกคามทางชีวภาพเกิดขึ้นที่ใดก็ได้ในโลก ลำดับดีเอ็นเอที่เกี่ยวข้องสามารถสืบย้อนไปถึงต้นกำเนิดของมันได้” ผู้เขียนเขียน

มันจะเป็นเส้นทางที่ยากลำบาก ผู้เขียนเขียนว่าความปลอดภัยของโปรตีนที่ออกแบบจะขึ้นอยู่กับการสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์ สถาบันวิจัย และรัฐบาลทั่วโลก อย่างไรก็ตามมีความสำเร็จก่อนหน้านี้ กลุ่มบริษัทระดับโลกได้กำหนดแนวปฏิบัติด้านความปลอดภัยและการแบ่งปันในด้านอื่นๆ ที่เป็นข้อขัดแย้ง เช่น การวิจัยสเต็มเซลล์ พันธุวิศวกรรม การปลูกถ่ายสมอง และ AI แม้จะไม่ได้ติดตามเสมอไป—ทารก CRISPR เป็นตัวอย่างที่ฉาวโฉ่—โดยส่วนใหญ่แล้ว แนวปฏิบัติสากลเหล่านี้ได้ช่วยขับเคลื่อนการวิจัยที่ล้ำหน้าไปข้างหน้าในลักษณะที่ปลอดภัยและเสมอภาค

สำหรับ Baker และ Church การอภิปรายอย่างเปิดเผยเกี่ยวกับความปลอดภัยทางชีวภาพจะไม่ทำให้เรื่องนี้ช้าลง แต่สามารถรวบรวมภาคส่วนต่างๆ และมีส่วนร่วมในการอภิปรายสาธารณะ เพื่อให้การออกแบบโปรตีนแบบกำหนดเองสามารถเจริญเติบโตต่อไปได้

เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยวอชิงตัน

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2024/01/29/ai-can-design-totally-new-proteins-from-scratch-its-time-to-talk-biosecurity/