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.