Sztuczna inteligencja nie tylko rozumie język i obrazy, ale teraz również potrafi projektować nowe białka – podstawowe budulce życia. Naukowcy z USA stworzyli model AI o nazwie EvolutionaryScale Model 3 (ESM3), który opracował nowe fluorescencyjne białko esmGFP. Co niezwykłe, jego sekwencja jest aż w 42 proc. różna od najbliższego naturalnego odpowiednika – białka tagRFP. To tak, jakby AI przeprowadziła symulację pół miliarda lat ewolucji w zaledwie kilka chwil!
Czytaj też: Sztuczna inteligencja DIMON tysiące razy szybsza od superkomputerów
To osiągnięcie otwiera drogę do tworzenia białek o unikalnych właściwościach, co może zrewolucjonizować biotechnologię, medycynę i przemysł biomateriałów. Możliwość projektowania zupełnie nowych struktur białkowych może prowadzić do powstania innowacyjnych leków, ulepszonych metod diagnostyki, a nawet nowych form życia syntetycznego.
Sztuczna inteligencja przyspieszyła ewolucje i stworzyła nowe białko
Model ESM3 opiera się na algorytmach sztucznej inteligencji, które analizują olbrzymie bazy danych dotyczących białek. Został on przeszkolony na 3,15 miliarda sekwencji białek, czyli kolejności aminokwasów tworzących te struktury, 236 milionach struktur białkowych, odpowiadających ich trójwymiarowym kształtom, oraz 539 milionach adnotacji, które zawierają opisy funkcji białek i ich właściwości.
Czytaj też: Sztuczna inteligencja replikuje ludzi. Wkrótce nie odróżnimy człowieka od maszyny
Dzięki rozpoznawaniu wzorców w tych ogromnych zbiorach danych, AI potrafi identyfikować mechanizmy ewolucji i budować białka o zupełnie nowych właściwościach. Jest to podobny proces do tego, jak modele językowe, np. ChatGPT, uczą się komponować nowe teksty na podstawie wcześniej poznanych schematów językowych.
Nowo zaprojektowane białko esmGFP działa podobnie jak jej naturalny odpowiednik – pochłania światło i emituje je w innym zakresie. Takie białka są niezwykle cenne w badaniach biologicznych, ponieważ umożliwiają wizualizację procesów zachodzących w komórkach, a także pomagają w diagnostyce i terapii chorób, np. nowotworów.
Naukowcy wybrali fluorescencję jako kluczową cechę nowego białka, ponieważ jest trudna do osiągnięcia i wymaga precyzyjnej budowy struktury białka. Jednocześnie jest łatwa do zmierzenia, co pozwala szybko zweryfikować, czy zaprojektowane białko rzeczywiście działa. Dodatkowo fluorescencja jest jednym z najpiękniejszych mechanizmów w naturze, występującym na przykład u meduz czy ryb głębinowych.
W naturze ewolucja zachodzi poprzez stopniowe mutacje i selekcję naturalną, co trwa miliony lat. Sztuczna inteligencja może ten proces znacznie przyspieszyć, generując nowe białka w oparciu o możliwe ścieżki ewolucji.
Jak czytamy w pracy opublikowanej w Science:
Białka można postrzegać jako istniejące w zorganizowanej przestrzeni, gdzie każde z nich sąsiaduje z innym, które różni się jedną mutacją. Struktura ewolucji przypomina sieć, która łączy wszystkie białka ścieżkami, którymi mogła podążać ewolucja.
Chociaż model ESM3 wykazuje ogromny potencjał, każde nowo zaprojektowane białko musi zostać zweryfikowane, zsyntetyzowane i przetestowane w laboratorium. To proces wymagający czasu, ale jego przyszłe zastosowania są obiecujące. Naukowcy przewidują, że w niedalekiej przyszłości AI będzie w stanie projektować białka na zamówienie – do zastosowań w medycynie, biomateriałach, a nawet rolnictwie. Możliwe będzie np. opracowanie enzymów zdolnych do rozkładania plastiku czy syntetycznych białek zdolnych do leczenia rzadkich chorób genetycznych.
Modele językowe białek nie działają w ramach fizycznych ograniczeń ewolucji, lecz mogą konstruować model wielu potencjalnych ścieżek, którymi ewolucja mogłaby podążać. Oznacza to, że sztuczna inteligencja nie tylko odtwarza naturalne procesy, ale wręcz tworzy zupełnie nowe scenariusze ewolucyjne, otwierając nieznane dotąd możliwości w biologii.