От чтения к созданию ДНК: ИИ и CRISPR меняют правила эволюции

В 2018 году Франсис Арнольд на свой лекции по случаю вручения Нобелевской премии по химии заявила, что на тот момент наука позволяла читать, записывать и редактировать любые последовательности ДНК, но не создавать их. Сегодня это утверждение утратило свою актуальность.

С тех пор научно-технический прогресс достиг такого уровня, что искусственный интеллект научился составлять ДНК, а с помощью генетически модифицированных бактерий учёные уже близки к разработке и созданию новых белков. Цель заключается в том, чтобы с помощью возможностей ИИ и генного редактирования модифицировать бактерии, превращая их в мини-фабрики по производству белков, способных сокращать выбросы парниковых газов, разлагать пластик или выступать в качестве специфических пестицидов.

Генетическое секвенирование позволило детально изучить структуру и функции ДНК и РНК, которые являются носителями наследственной информации. Важность белков в организме человека сложно переоценить: они составляют 75 процентов сухой массы тела и участвуют в формировании мышц, ферментов, гормонов, крови, волос и хрящей. Понимание белков — это ключ к пониманию биологии.

Проект " Геном человека ", завершённый в 2003 году, стал важным этапом в генетике, полностью расшифровав геном человека, содержащий около 3 миллиардов пар оснований и 20-25 тысяч генов. Однако, изучение функций большинства белков и устранение их нарушений оставалось сложной задачей.

Форма каждого белка имеет решающее значение для его функции и определяется последовательностью его аминокислот, которая, в свою очередь, определяется нуклеотидной последовательностью гена. Неправильно свернутые белки имеют неправильную форму и могут вызывать такие заболевания , как нейродегенеративные заболевания, муковисцидоз и диабет 2 типа. Понимание этих заболеваний и разработка методов лечения требуют знания формы белков.

До 2016 года единственным способом определения формы белка была рентгеновская кристаллография — лабораторная техника, которая использует дифракцию рентгеновских лучей на отдельных кристаллах для определения точного расположения атомов и молекул в трех измерениях в молекуле. На тот момент структура около 200 000 белков была определена с помощью кристаллографии, что стоило миллиарды долларов.

AlphaFold, программа машинного обучения , использовала эти кристаллические структуры в качестве обучающего набора для определения формы белков по их нуклеотидным последовательностям. И менее чем за год программа рассчитала белковые структуры всех 214 миллионов генов, которые были секвенированы и опубликованы. Все белковые структуры, определенные AlphaFold, были опубликованы в свободно доступной базе данных .

Прорывом в генной инженерии стало развитие технологии CRISPR , позволяющей точечно изменять ДНК. В 2020 году Дженнифер Даудна и Эммануэль Шарпантье были удостоены Нобелевской премии за создание метода редактирования генома. С помощью CRISPR редактирование генов, которое раньше занимало годы и требовало значительных затрат, теперь можно проводить за считанные дни и с минимальными затратами.

Искусственный интеллект и CRISPR открывают возможности для создания новых белков и ферментов. Учёные уже разработали уникальные белки с помощью ИИ и модифицированных бактерий, способные поглощать углекислый газ и метан, разлагать пластик и производить органические вещества. Достижения в этой области позволяют надеяться на значительное сокращение выбросов парниковых газов и решение других экологических проблем.

Две группы с нуля создали функционирующие ферменты , разработанные с помощью разных систем искусственного интеллекта. Институт дизайна белков Дэвида Бейкера при Вашингтонском университете разработал новую стратегию дизайна белков, основанную на глубоком обучении, которую он назвал « семейной галлюцинацией », которую они использовали для создания уникального светоизлучающего фермента . Тем временем биотехнологический стартап Profluent использовал ИИ , обученный на основе всех знаний CRISPR-Cas, для разработки новых функционирующих редакторов генома .

Если ИИ сможет научиться создавать новые системы CRISPR, а также биолюминесцентные ферменты, которые работают и никогда не были замечены на Земле, есть надежда, что сочетание CRISPR с ИИ можно будет использовать для разработки других новых индивидуальных ферментов. Хотя комбинация CRISPR-AI все еще находится в зачаточном состоянии, когда она созреет, она, вероятно, станет очень полезной и даже может помочь миру справиться с изменением климата.

Однако важно помнить, что чем мощнее технология, тем больший риск она представляет. Кроме того, люди не очень преуспели в инженерии природы из-за сложности и взаимосвязанности природных систем, что часто приводит к непредвиденным последствиям .