Штучний інтелект симулював 500 мільйонів років еволюції – і створив новий білок!

Еволюція довела життя до молекулярного рівня за мільярди років. Білки, фундаментальні будівельні блоки життя, еволюціонували через цей процес, щоб виконувати різні біологічні функції, від боротьби з інфекціями до травлення їжі. Ці складні молекули складаються з довгих ланцюгів амінокислот, розташованих у точних послідовностях, які визначають їх структуру та функцію. Хоча природа створила надзвичайне різноманіття білків, розуміння їхньої структури та проектування цілком нових білків довго було складною задачею для вчених.

Останні досягнення в галузі штучного інтелекту трансформують нашу здатність подолати деякі з найбільш значущих біологічних викликів. Раніше штучний інтелект використовувався для прогнозування того, як дана послідовність білка буде складатися та поводитися – складна задача через величезну кількість конфігурацій. Нещодавно штучний інтелект досяг рівня, коли може генерувати цілком нові білки в безпрецедентному масштабі. Цей рубіж був досягнутий завдяки ESM3, багатофункціональній генеративній мовній моделі, розробленій EvolutionaryScale. На відміну від традиційних систем штучного інтелекту, призначених для обробки тексту, ESM3 була навчена розуміти послідовності білків, структури та функції. Що робить її дійсно видатною, це її здатність симулювати 500 мільйонів років еволюції – подвиг, який призвів до створення повністю нового флуоресцентного білка, чого ніколи не бачили в природі.

Цей прорив є значним кроком до того, щоб зробити біологію більш програмною, відкриваючи нові можливості для проектуванняCustomAttributes білків з застосуваннями в медицині, матеріалознавстві та за її межами. У цій статті ми досліджуємо, як працює ESM3, чого вона досягла та чому цей прогрес змінює наше розуміння біології та еволюції.

Познайомтеся з ESM3: Штучний інтелект, який симулює еволюцію

ESM3 – це багатофункціональна мовна модель, навчена розуміти та генерувати білки шляхом аналізу їхніх послідовностей, структур та функцій. На відміну від AlphaFold, який може передбачити структуру існуючих білків, ESM3 по суті є моделлю інженерії білків, що дозволяє дослідникам вказувати функціональні та структурні вимоги для проектування цілком нових білків.

Модель володіє глибокими знаннями послідовностей білків, структур та функцій, а також здатністю генерувати білки через взаємодію з користувачами. Ця здатність дозволяє моделі генерувати білки, яких не існує в природі, але які все ще біологічно життєздатні. Створення нового зеленого флуоресцентного білка (esmGFP) є вражаючим示示 цієї здатності. Флуоресцентні білки, спочатку відкриті в медузах та кораллах, широко використовуються в медичних дослідженнях та біотехнології. Для розробки esmGFP дослідники надали ESM3 ключовими структурними та функціональними характеристиками відомих флуоресцентних білків. Модель потім ітеративно уточнювала проект, застосовуючи ланцюгове мислення для оптимізації послідовності. Хоча природна еволюція могла б зайняти мільйони років для отримання подібного білка, ESM3 прискорює цей процес, щоб досягти цього за дні чи тижні.

Процес проектування білків з використанням штучного інтелекту

Ось як дослідники використали ESM3 для розробки esmGFP:

1. Вказівка штучному інтелекту – Спочатку вони ввели послідовності та структурні підказки, щоб спрямувати ESM3 до ознак, пов’язаних із флуоресценцією.
2. Генерування нових білків – ESM3 досліджував величезний простір потенційних послідовностей для отримання тисяч кандидатних білків.
3. Фільтрація та уточнення – Найперспективніші проекти були відфільтровані та синтезовані для лабораторного тестування.
4. Валідація в живих клітинах – Вибрані білки, спроектовані штучним інтелектом, були виражені в бактеріях для підтвердження їхньої флуоресценції та функціональності.

Цей процес призвів до створення флуоресцентного білка (esmGFP), якого немає в природі.

Як esmGFP порівнюється з природними білками

Що робить esmGFP надзвичайним, це те, наскільки він віддалений від відомих флуоресцентних білків. Хоча більшість недавно відкритих GFP мають незначні відмінності від існуючих, esmGFP має послідовність ідентичності лише 58% до свого найближчого природного родича. Еволюційно така різниця відповідає часу розходження понад 500 мільйонів років.

Чтобы поставити це в перспективу, останній раз білки з подібними еволюційними відстанями з’явилися, коли ще не з’явилися динозаври, а багатоклітинне життя ще було на ранній стадії. Це означає, що штучний інтелект не тільки прискорив еволюцію – він симулював цілком новий еволюційний шлях, створюючи білки, яких природа ніколи б не створила.

Чому це відкриття має значення

Цей розвиток є значним кроком вперед в інженерії білків та поглиблює наше розуміння еволюції. Симулюючи мільйони років еволюції за кілька днів, штучний інтелект відкриває двері до нових можливостей:

• Швидше відкриття ліків: Багато ліків працюють шляхом націлювання на конкретні білки, але пошук правильних білків є повільним та дорогим. Білки, спроектовані штучним інтелектом, могли б прискорити цей процес, допомагаючи дослідникам відкривати нові методи лікування більш ефективно.
• Нові рішення в біоінженерії: Білки використовуються у всьому, від розкладання пластикових відходів до виявлення захворювань. З допомогою проектування білків з використанням штучного інтелекту вчені можуть створювати білки на замовлення для охорони здоров’я, захисту довкілля та навіть нових матеріалів.
• Штучний інтелект як симулятор еволюції: Одним з найбільш інтригуючих аспектів цього дослідження є те, що воно позиціонує штучний інтелект як симулятор еволюції, а не просто інструмент для аналізу. Традиційні симуляції еволюції涉ують ітерування через генетичні мутації, часто займаючи місяці або роки для генерації життєздатних кандидатів. ESM3, однак, обходить ці повільні обмеження, передбачаючи функціональні білки безпосередньо. Ця зміна підходу означає, що штучний інтелект міг би не тільки імітувати еволюцію, але й активно досліджувати еволюційні можливості за межами природи. При достатній обчислювальній потужності штучний інтелект міг би відкрити нові біохімічні властивості, яких ніколи не існувало в природному світі.

Етичні розгляди та відповідальний розвиток штучного інтелекту

Хоча потенційні вигоди від інженерії білків з використанням штучного інтелекту є величезними, ця технологія також піднімає етичні та безпекові питання. Що відбувається, коли штучний інтелект починає проектувати білки за межами людського розуміння? Як ми можемо забезпечити, що ці білки є безпечними для медичного або екологічного використання?

Ми повинні зосередитися на відповідальному розвитку штучного інтелекту та ретельному тестуванні, щоб подолати ці проблеми. Білки, згенеровані штучним інтелектом, такі як esmGFP, повинні пройти ретельне лабораторне тестування перед тим, як будуть розглянуті для реальних застосувань. Крім того, етичні рамки для біології, керованої штучним інтелектом, розробляються для забезпечення прозорості, безпеки та довіри громадськості.

Основне

Запуск ESM3 є важливим розвитком у сфері біотехнології. ESM3 демонструє, що еволюція не повинна бути повільним, спробним процесом. Стиснення 500 мільйонів років еволюції білків усього за кілька днів відкриває майбутнє, в якому вчені можуть проектувати цілком нові білки з неймовірною швидкістю та точністю. Розробка ESM3 означає, що ми можемо не тільки використовувати штучний інтелект для розуміння біології, але й для її зміни. Цей прорив допомагає нам просунути нашу здатність програмувати біологію так само, як ми програмуємо програмне забезпечення, відкриваючи можливості, яких ми тільки починаємо уявляти.