Штучний інтелект відкриває двері до створення нових білків: можливості та ризики

Наука невпинно рухається вперед, і тепер штучний інтелект (ШІ) став потужним інструментом у руках вчених, відкриваючи безпрецедентні можливості для конструювання раніше неіснуючих білків. Ці новостворені молекули потенційно можуть призвести до розробки революційних медикаментів або, навпаки, стати основою для створення руйнівної біологічної зброї.

Зважаючи на таку подвійність, дослідники активно шукають шляхи для запобігання зловживанню цією технологією. Нещодавно було розроблено інноваційний метод “водяних знаків” для ідентифікації білків, створених ШІ, без шкоди для їхньої функціональності. Ця техніка, представлена командою Google DeepMind, дозволяє ефективніше відстежувати походження штучно синтезованих білків.

Потенціал захисту від біологічних загроз

Рой Слеатор, професор біології з Технологічного університету Манстера (Ірландія), який не брав участі у дослідженні, зазначає: “Ця розробка має потенціал для зменшення біохардних загроз, таких як несанкціоноване створення токсинів, а також може допомогти в упорядкуванні баз даних, запобігаючи потраплянню штучних конструкцій до стандартних репозиторіїв.”

Він додає: “На практиці це може допомогти відстежувати першоджерело дизайну, виявляти інженерні білки для додаткових перевірок біобезпеки та зменшувати кількість неправдивих тверджень щодо методів створення білків.”

Однак, як зауважують інші експерти, сама технологія ШІ, яка створює ці “водяні знаки”, може бути використана й для їх видалення.

Новітні методи приховування “водяних знаків”

Поява програми AlphaFold у 2020 році стала знаковим моментом у галузі білкової інженерії. Цей інструмент, який приніс Нобелівську премію з хімії 2024 року Демісу Хассабісу, Джону Джамперу та Девіду Бейкеру, здатен визначати тривимірну структуру білка за послідовністю його складових елементів – амінокислот. Білки згортаються подібно до оригамі, набуваючи унікальних 3D-форм, що визначають їхні функції.

Проте, технологія AlphaFold також відкрила шлях до створення абсолютно нових білків, які можуть бути використані для розробки біологічних загроз, зокрема білків вірусів, здатних обходити імунну систему людини та наявні вакцини.

“Усе, що може бути використане на благо, може бути використане і на шкоду,” – стверджує Джордж Роуз, почесний професор біофізики в Університеті Джонса Гопкінса.

Сучасні засоби скринінгу виявляють нові небезпечні або заборонені молекули, порівнюючи послідовності їхніх амінокислот з тими, що належать до відомих загроз. Проблема полягає в тому, що ШІ може генерувати білки, які не мають жодної схожості з жодною відомою структурою. Саме це намагається вирішити нова техніка “водяних знаків”.

Тривимірна форма білка значною мірою визначається послідовністю амінокислот, тобто порядком його будівельних блоків. У клітинах ці блоки синтезуються рибосомами.

Коли користувачі задають ProteinMPNN бажану 3D-форму білка, програма обирає амінокислоти, які зрештою згортаються саме в цю форму. Техніка SynthIDBio-sequence непомітно впливає на вибір програмою кожної амінокислоти, керуючись секретним ключем “водяного знака”. Після генерації послідовності будь-хто, хто знає прихований код, може оцінити ймовірність того, що послідовність була створена під впливом цього ключа. У своєму останньому дослідженні команда DeepMind продемонструвала, що білки, створені з таким “водяним знаком”, так само ефективно зв’язуються зі своїми цілями, як і білки без нього.

Аналогічна техніка, під назвою SynthIDBio-structure, вбудовує “водяний знак” безпосередньо в структуру білка. Це досягається шляхом модифікації роботи AlphaFold 3, флагманського алгоритму DeepMind для прогнозування структури білків.

Під час прогнозування структури AlphaFold, SynthIDBio-structure ставить йому додаткове завдання: ШІ повинен здійснити мінімальні зміни в розташуванні атомів у білку. Ці зміни можуть бути виявлені детектором пізніше, і вони настільки незначні, що не виглядають як очевидні спотворення.

У тестових випробуваннях ці дві системи створили приховані “водяні знаки”, які вдалося виявити з неймовірною точністю: понад 99% “заводнених” білків були ідентифіковані, а 99,9% білків без “водяних знаків” були коректно проігноровані.

Обхід “водяних знаків” у білках

Представники Live Science поспілкувалися з кількома експертами, які погодилися, що SynthIDBio є вражаючим технічним досягненням. Однак, вони висловили думку, що ця технологія ще не готова до широкого впровадження.

“Обидві техніки є ефективними, але крихкими,” – зазначив Брюс Віттманн, провідний науковий співробітник Microsoft. Він пояснив, що, як зазначає і сама команда DeepMind у своїй статті, “водяні знаки” можуть бути легко видалені.

Я уявляю, наскільки складно буде забезпечити дотримання регуляцій.

Брюс Віттманн, провідний науковий співробітник Microsoft

“Для послідовностей, “водяні знаки” можна видалити шляхом ‘ресеквенування’, тобто фактично змінюючи послідовність амінокислот білка таким чином, що “водяний знак” стає невиявним,” – пояснює Віттманн. “Для структур, “водяні знаки” видаляються шляхом додавання шуму або іншої модифікації просторових координат структури.” Інструменти скринінгу не зможуть виявити, чи був “водяний знак” видалений з білка.

Експерти також скептично ставляться до того, чи стане “водяний знак” довгостроковим рішенням для забезпечення біобезпеки.

Незмивний “водяний знак” міг би допомогти встановити, хто саме створив небезпечний білок, або виявити, коли користувач отримує доступ до програмного забезпечення для генерації білків без дозволу. Це могло б стримати деяких зловмисників, але терористи, які прагнуть створити новий білок для біологічної зброї, навряд чи будуть перейматися ідентифікацією після успішної атаки, вважає Макс Бракманн, експерт з хімічної, біологічної, радіологічної та ядерної зброї зі Спізької лабораторії (Швейцарія).

Крім того, переважна більшість програмного забезпечення для прогнозування та генерації білків є відкритим кодом, що означає, що значна частина коду є вільно доступною для використання та модифікації. Це значно ускладнює інтеграцію “водяних знаків” у ці програми. Віттманн попереджає, що галузь муситиме перейти до закритих моделей, перш ніж “водяні знаки” зможуть стати галузевим стандартом.

Він додав, що “водяний знак” може слугувати одним з рівнів захисту біобезпеки, а не самостійним рішенням. Регулювання зверху буде важко забезпечити. “Я уявляю, наскільки складно буде забезпечити дотримання регуляцій,” – сказав він.

Роуз висловився ще більш категорично щодо регулювання використання генеративних білків.

“Я переконаний, що це не спрацює,” – заявив він. “Коли з’являється досконала технологія, яка робить щось нове, урядове регулювання, спрямоване на її стримування, ніколи не було по-справжньому успішним.”

Порада від Business News:

Ця новина висвітлює новітні досягнення в галузі застосування штучного інтелекту в науці, зокрема, у створенні білків. Вона є корисною для розуміння як величезних потенційних переваг (наприклад, розробка нових ліків), так і серйозних ризиків (створення біологічної зброї). Інформація про розробку “водяних знаків” підкреслює зусилля наукової спільноти з мінімізації загроз, але також вказує на виклики, пов’язані з контролем та регулюванням таких потужних технологій.

Подробиці можна знайти на сайті: www.livescience.com