Штучний інтелект тільки що змоделював 500 мільйонів років еволюції – і створив новий білок!

Еволюція довела життя до молекулярного рівня за мільярди років. Білки, основні 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.

Нещодавні досягнення в галузі штучного інтелекту трансформують нашу здатність подолати деякі з найбільш значущих біологічних проблем. Раніше штучний інтелект використовувався для передбачення того, як певна послідовність білка буде складатися та поводитися – складна задача через величезну кількість конфігурацій. Нещодавно штучний інтелект досягнув рівня, на якому він може генерувати цілком нові білки в безпрецедентному масштабі. Цей рубіж був досягнутий завдяки ESM3, багатомодальній генеративній мовній моделі, розробленій компанією EvolutionaryScale. На відміну від традиційних систем штучного інтелекту, призначених для обробки тексту, ESM3 була навчена розуміти послідовності, структури та функції білків. Що робить її по-справжньому видатною, так це її здатність змоделювати 500 мільйонів років еволюції – досягнення, яке призвело до створення цілком нового флуоресцентного білка, такого, якого раніше не бачили в природі.

Цей прорив є значним кроком до того, щоб зробити біологію більш програмною, відкриваючи нові можливості для проектування спеціальних білків з застосуваннями в медицині, матеріалознавстві та інших галузях. У цій статті ми досліджуємо, як працює ESM3, чого вона досягла, і чому це досягнення змінює наше розуміння біології та еволюції.

Познайомтеся з ESM3: Штучний інтелект, який симулює еволюцію

ESM3 – це багатомодальна 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 білкової інженерії, що дозволяє дослідникам вказувати функціональні та структурні вимоги для проектування цілком нових білків.

Модель володіє глибокими знаннями послідовностей, структур та функцій білків, а також здатністю генерувати білки через взаємодію з користувачами. Ця здатність дозволяє моделі генерувати білки, які можуть не існувати в природі, але залишаються біологічно життєздатними. Створення нового зеленого флуоресцентного білка (esmGFP) є вражаючим示 цього можливості. 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 міркування, щоб оптимізувати послідовність. Хоча природна еволюція могла б зайняти мільйони років для отримання подібного білка, ESM3 прискорює цей процес до досягнення результату за дні чи тижні.

Процес проектування білків, керований штучним інтелектом

Ось як дослідники використали ESM3 для розробки esmGFP:

1. Вказівка штучного інтелекту – Спочатку вони ввели послідовності та структурні підказки, щоб спрямувати ESM3 до ознак, пов’язаних із флуоресценцією.
2. Генерування нових білків – ESM3 досліджувала 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), такого, якого раніше не бачили в природі.

Як esmGFP порівнюється з природними білками

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

Щоб поставити це в перспективу, востаннє білки з подібними еволюційними відстанями з’явилися, коли ще не з’явилися динозаври, а багатоклітинне життя було ще на ранній стадії. Це означає, що штучний інтелект не тільки прискорив еволюцію – він змоделював цілком новий еволюційний шлях, створивши білки, яких природа могла б ніколи не створити.

Чому це відкриття має значення

Це досягнення є значним кроком вперед у сфері білкової інженерії та поглиблює наше розуміння еволюції. Змоделювавши мільйони років еволюції за кілька днів, штучний інтелект відкриває двері до нових можливостей:

• Швидша відкриття ліків: Багато ліків працюють шляхом націлювання на конкретні білки, але пошук правильних білків є повільним та дорогим процесом. Білки, спроектовані штучним інтелектом, могли б прискорити цей процес, допомігши дослідникам відкрити нові методи лікування більш ефективно.
• Нові рішення в біоінженерії: Білки використовуються майже у всьому, від розкладання пластикових відходів до виявлення захворювань. З проектуванням, керованим штучним інтелектом, вчені можуть створювати спеціальні білки 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 включають ітерування через генетичні мутації, часто займаючи місяці або роки для отримання життєздатних кандидатів. ESM3 jedoch обходить ці повільні обмеження, передбачаючи функціональні білки безпосередньо. Це зміна підходу означає, що штучний інтелект міг би не тільки імітувати еволюцію, а й активно досліджувати еволюційні можливості за межами природи. При достатній обчислювальній потужності штучна еволюція могла б відкрити нові біохімічні властивості, яких ніколи не існувало в природному світі.

Етичні розгляди та відповідальний розвиток штучного інтелекту

Хоча потенційні вигоди від білкової інженерії, керованої штучним інтелектом, 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, щоб ці білки були безпечними для медичного або екологічного використання?

Ми повинні зосередитися на відповідальному розвитку штучного інтелекту та ретельному тестуванні, щоб подолати ці проблеми. Білки, створені штучним інтелектом, такі як esmGFP, повинні пройти ретельне лабораторне тестування, перш ніж їх можна буде розглянути для реальних застосувань. Крім того, етичні рамки для біології, керованої штучним інтелектом, розробляються для забезпечення прозорості, безпеки та довіри громадськості.

Висновок

Запуск ESM3 є важливим досягненням у сфері біотехнології. ESM3 демонструє, що еволюція не повинна бути повільним, спробним процесом. Стиснення 500 мільйонів років еволюції білків до кількох 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, а й для її зміни. Це досягнення допомагає нам просунути нашу здатність програмувати біологію так само, як ми програмуємо програмне забезпечення, відкриваючи можливості, яких ми тільки починаємо уявляти.