От четене до създаване на ДНК: ИИ и CRISPR променят правилата на еволюцията

През 2018 година Франсис Арнолд заяви в лекцията си за Нобеловата награда за химия, че по това време науката позволява да се четат, пишат и редактират всякакви ДНК последователности, но не и да се създават. Днес това твърдение вече не е валидно.

Оттогава насам научно-техническият прогрес е достигнал такова ниво, че изкуственият интелект се е научил да съставя ДНК, а с помощта на генетично модифицирани бактерии учените вече са близо до проектирането и създаването на нови протеини.

Целта е да се използват възможностите на изкуствения интелект и редактирането на гени, за да се модифицират бактериите и да се превърнат в минифабрики за производство на протеини, които могат да намалят емисиите на парникови газове, да разграждат пластмаса или да действат като специфични пестициди.

Генетичното секвениране направи възможно детайлното изучаване на структурата и функциите на ДНК и РНК, които са носители на наследствената информация. Значението на протеините в човешкия организъм не може да бъде надценено: те съставляват 75 % от сухото тегло на тялото и участват в образуването на мускулите, ензимите, хормоните, кръвта, косата и хрущялите. Разбирането на белтъците е ключово за разбирането на биологията.

Проектът „Човешки геном„, завършен през 2003 гoдина е важен етап в генетиката, тъй като напълно декодира човешкия геном, който съдържа около 3 милиарда базови двойки и 20 000 до 25 000 гена. Въпреки това изучаването на функциите на повечето белтъци и поправянето на техните неизправности остана сложна задача.

Формата на всеки протеин е от решаващо значение за неговата функция и се определя от аминокиселинната му последователност, която от своя страна се определя от нуклеотидната последователност на гена. Неправилно нагънатите протеини са с неправилна форма и могат да причинят заболявания като невродегенеративни заболявания, кистозна фиброза и диабет тип 2. Разбирането на тези заболявания и разработването на лечения изисква познаване на формата на протеините.

До 2016 година единственият начин за определяне на формата на белтъка беше чрез рентгенова кристалография – лабораторна техника, която използва дифракцията на рентгеновите лъчи върху отделни кристали, за да определи точното разположение на атомите и молекулите в три измерения в молекулата. По това време структурата на около 200 000 белтъка е била определена с помощта на кристалографията, което е струвало милиарди долари.

AlphaFold – програма за машинно обучение използва тези кристални структури като набор за обучение, за да определи формата на протеините по техните нуклеотидни последователности.

За по-малко от година програмата изчисли протеиновите структури на всички 214 милиона гени, които са били секвенирани и публикувани. Всички протеинови структури, определени от AlphaFold са публикувани в свободно достъпна база данни.

Пробив в генното инженерство е разработването на технологията CRISPR, която позволява модифициране на ДНК точка по точка.

През 2020 година Дженифър Дудна и Емануел Шарпантие получават Нобелова награда за създаването на метода за редактиране на генома. С помощта на CRISPR редактирането на гени, което преди е отнемало години и е било скъпо, сега може да се извърши за няколко дни и на минимална цена.

Изкуственият интелект и CRISPR разкриват възможности за създаване на нови протеини и ензими.

Учените вече са разработили уникални протеини с помощта на изкуствен интелект и модифицирани бактерии, които могат да абсорбират въглероден диоксид и метан, да разграждат пластмаса и да произвеждат органични вещества. Напредъкът в тази област дава надежда за значително намаляване на емисиите на парникови газове и за решаване на други екологични проблеми.

Две групи са създали функциониращи ензими от нулата, използвайки различни системи за изкуствен интелект. Междувременно биотехнологичният стартъп Profluent използва ИИ, обучен с всички знания за CRISPR-Cas, за да проектира нови функциониращи редактори на геноми.

Ако ИИ може да се научи да създава нови системи CRISPR, както и биолуминесцентни ензими, които работят и никога не са били наблюдавани на Земята се надяваме, че комбинацията от CRISPR и ИИ може да се използва за разработване на други нови персонализирани ензими. Въпреки, че комбинацията CRISPR-ИИ е все още в начален стадий на развитие, когато узрее, тя вероятно ще стане много полезна и дори може да помогне на света да се справи с изменението на климата.