ИИ и редактирование генов: новый этап биотехнологий

В 2018 году лауреат Нобелевской премии по химии Фрэнсис Арнольд заявила, что мы умеем читать, писать и редактировать любую последовательность ДНК, но не можем её сочинять. Сегодня это уже не так.

Благодаря прогрессу искусственный интеллект научился сочинять ДНК, а учёные с помощью генетически модифицированных бактерий приближаются к созданию индивидуальных белков.

Цель: объединить дизайнерские таланты ИИ и инженерные возможности редактирования генов, чтобы модифицировать бактерии в мини-фабрики. Они смогут производить новые белки для сокращения парниковых газов, переработки пластика или создания видоспецифичных пестицидов.

Чтение рецептов жизни: секвенирование генов

Вся наследственная информация живых организмов закодирована в ДНК и РНК и определяет, в том числе, производство белков. Белки составляют 75% сухого веса человека, формируя мышцы, ферменты, гормоны и ткани.

Проект «Геном человека» (1990–2003) определил последовательность 3 миллиардов пар нуклеотидных оснований, кодирующих 20 000–25 000 генов. Однако понять функции большинства белков и исправить их сбои оставалось сложной задачей.

ИИ изучает белки

Функция белка определяется его трёхмерной формой, которая задаётся последовательностью аминокислот. Неправильно свёрнутые белки вызывают нейродегенеративные заболевания, муковисцидоз, диабет 2-го типа.

До 2016 года форму белка определяли с помощью рентгеновской кристаллографии. Так установили структуру около 200 000 белков, потратив миллиарды долларов.

AlphaFold — программа машинного обучения — использовала эти данные для обучения и смогла предсказать структуру белка по его нуклеотидной последовательности. Менее чем за год она рассчитала структуры всех 214 миллионов секвенированных и опубликованных генов. Результаты находятся в свободном доступе.

AlphaFold3 (выпущен 8 мая 2024 года) может предсказывать не только форму белков, но и места связывания с малыми молекулами. Это ускорит рациональный дизайн лекарств, где препараты создаются для воздействия на конкретные белки, связанные с болезнью.

ИИ + CRISPR = создание новых белков

Технология CRISPR, разработанная около 2015 года, произвела революцию в редактировании генов. Она позволяет находить, изменять, удалять или добавлять гены быстро и дёшево. В 2020 году за её развитие Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье получили Нобелевскую премию по химии.

Перспектива: ИИ будет проектировать новые белки, а модифицированные с помощью CRISPR бактерии — производить их. Такие ферменты потенциально смогут поглощать CO₂ и метан, производя органическое сырьё, или разлагать пластик.

Уже есть примеры:

• Институт дизайна белков Дэвида Бейкера (Вашингтонский университет) с помощью ИИ-стратегии «family-wide hallucination» создал новый светящийся фермент.
• Биотех-стартап Profluent использовал ИИ, обученный на всех знаниях о CRISPR-Cas, для разработки новых функционирующих геномных редакторов.

Хотя комбинация CRISPR и ИИ ещё только развивается, она обещает большие преимущества, включая борьбу с изменением климата. Уже сейчас генетически модифицированные организмы составляют 2% экономики США в сельском хозяйстве и фармацевтике.

Важное предостережение: чем мощнее технология, тем выше потенциальные риски. Сложность и взаимосвязанность природных систем часто приводят к непредвиденным последствиям при вмешательстве человека.