Vor zwei Jahrzehnten war die Entwicklung von Designerproteinen ein Traum.

Dank der KI gibt es maßgeschneiderte Proteine ​​mittlerweile wie Sand am Meer. Proteine ​​nach Maß haben oft spezifische Formen oder Komponenten, die ihnen in der Natur neue Fähigkeiten verleihen. Von langlebigeren Medikamenten und proteinbasierten Impfstoffen bis hin zu umweltfreundlicheren Biokraftstoffen und Plastik essen Proteine, das Gebiet entwickelt sich schnell zu einer transformativen Technologie.

Das individuelle Proteindesign hängt von Deep-Learning-Techniken ab. Da große Sprachmodelle – die KI hinter OpenAIs Blockbuster ChatGPT – Millionen von Strukturen jenseits der menschlichen Vorstellungskraft erfinden, wird die Bibliothek bioaktiver Designerproteine ​​schnell wachsen.

„Es stärkt enorm“, sagte kürzlich Dr. Neil King von der University of Washington sagte Natur. „Dinge, die vor anderthalb Jahren noch unmöglich waren – jetzt macht man es einfach.“

Doch mit großer Macht geht auch große Verantwortung einher. Da neu entwickelte Proteine ​​zunehmend in der Medizin und Biotechnik an Bedeutung gewinnen, fragen sich Wissenschaftler nun: Was passiert, wenn diese Technologien für schändliche Zwecke eingesetzt werden?

Ein aktueller Aufsatz in Wissenschaft unterstreicht die Notwendigkeit der Biosicherheit für Designerproteine. Ähnlich wie bei den laufenden Gesprächen über die KI-Sicherheit sagen die Autoren, dass es an der Zeit ist, Biosicherheitsrisiken und -richtlinien zu berücksichtigen, damit maßgeschneiderte Proteine ​​nicht unbrauchbar werden.

Der Aufsatz wurde von zwei Experten auf diesem Gebiet verfasst. Einer, Dr. David Baker, der Direktor des Institut für Proteindesign an der University of Washington leitete die Entwicklung von RoseTTAFold – einem Algorithmus, der das seit einem halben Jahrzehnt bestehende Problem löste, die Proteinstruktur allein aus ihren Aminosäuresequenzen zu entschlüsseln. Der andere, Dr. George Church von der Harvard Medical School, ist ein Pionier der Gentechnik und der synthetischen Biologie.

Sie schlagen vor, dass synthetische Proteine ​​Barcodes benötigen, die in die genetische Sequenz jedes neuen Proteins eingebettet sind. Sollte eines der Designerproteine ​​zu einer Bedrohung werden – etwa, indem es möglicherweise einen gefährlichen Ausbruch auslöst –, würde sein Barcode eine einfache Rückverfolgung zu seinem Ursprung ermöglichen.

Das System bietet im Grunde „einen Prüfpfad“, so das Duo schreiben.

Welten prallen aufeinander

Designerproteine ​​sind untrennbar mit der KI verbunden. Dies gilt auch für potenzielle Biosicherheitsrichtlinien.

Vor über einem Jahrzehnt nutzte Bakers Labor Software, um ein Protein namens Top7 zu entwerfen und zu bauen. Proteine ​​bestehen aus Bausteinen, die Aminosäuren genannt werden und die jeweils in unserer DNA kodiert sind. Wie Perlen auf einer Schnur werden Aminosäuren dann in spezifische 3D-Formen gewirbelt und gefaltet, die sich oft weiter zu komplexen Architekturen vernetzen, die die Funktion des Proteins unterstützen.

Top7 konnte nicht mit natürlichen Zellbestandteilen „sprechen“ – es hatte keine biologischen Wirkungen. Aber selbst dann, das Team geschlossen dass die Entwicklung neuer Proteine ​​es ermöglicht, „die großen Regionen des Proteinuniversums zu erforschen, die in der Natur noch nicht beobachtet wurden“.

Geben Sie AI ein. Vor kurzem wurden mehrere Strategien entwickelt, um neue Proteine ​​im Vergleich zur herkömmlichen Laborarbeit mit Überschallgeschwindigkeit zu entwickeln.

Eine davon ist strukturbasierte KI, ähnlich wie bildgenerierende Tools wie DALL-E. Diese KI-Systeme werden auf verrauschte Daten trainiert und lernen, das Rauschen zu entfernen, um realistische Proteinstrukturen zu finden. Sie werden als Diffusionsmodelle bezeichnet und erlernen nach und nach Proteinstrukturen, die mit der Biologie kompatibel sind.

Eine andere Strategie basiert auf großen Sprachmodellen. Wie ChatGPT finden die Algorithmen schnell Verbindungen zwischen Protein-„Wörtern“ und destillieren diese Verbindungen in eine Art biologische Grammatik. Die von diesen Modellen erzeugten Proteinstränge falten sich wahrscheinlich zu Strukturen, die der Körper entschlüsseln kann. Ein Beispiel ist ProtGPT2, das kann Ingenieur aktive Proteine ​​mit Formen, die zu neuen Eigenschaften führen könnten.

Digital zu physisch

Diese KI-Programme zum Proteindesign lassen die Alarmglocken schrillen. Proteine ​​sind die Bausteine ​​des Lebens – Veränderungen könnten die Reaktion von Zellen auf Medikamente, Viren oder andere Krankheitserreger dramatisch verändern.

Letztes Jahr kündigten Regierungen auf der ganzen Welt Pläne zur Überwachung der KI-Sicherheit an. Die Technologie wurde nicht als Bedrohung positioniert. Stattdessen haben die Gesetzgeber vorsichtig Richtlinien ausgearbeitet, die sicherstellen, dass die Forschung den Datenschutzgesetzen entspricht und die Wirtschaft, die öffentliche Gesundheit und die Landesverteidigung stärkt. Als Vorreiter stimmte die Europäische Union zu KI-Gesetz die Technologie in bestimmten Bereichen einzuschränken.

Synthetische Proteine ​​wurden in den Vorschriften nicht direkt erwähnt. Das sind großartige Neuigkeiten für die Herstellung von Designerproteinen, die durch eine zu restriktive Regulierung in die Knie gezwungen werden könnten, schreiben Baker und Church. Allerdings ist eine neue KI-Gesetzgebung in Arbeit, und das Beratungsgremium der Vereinten Nationen für KI wird Leitlinien dazu veröffentlichen internationale Regelung Mitte dieses Jahres.

Da die KI-Systeme, die zur Herstellung von Designerproteinen verwendet werden, hochspezialisiert sind, könnten sie immer noch unter dem Radar der Regulierungsbehörden fliegen – wenn sich das Fachgebiet in einer globalen Anstrengung zur Selbstregulierung zusammenschließt.

Bei der KI-Sicherheitsgipfel 2023In der Studie, in der es um KI-gestütztes Proteindesign ging, waren sich die Experten einig, dass die Dokumentation der zugrunde liegenden DNA jedes neuen Proteins von entscheidender Bedeutung ist. Wie ihre natürlichen Gegenstücke sind auch Designerproteine ​​aus genetischem Code aufgebaut. Die Protokollierung aller synthetischen DNA-Sequenzen in einer Datenbank könnte es einfacher machen, Warnsignale für potenziell schädliche Designs zu erkennen – zum Beispiel, wenn ein neues Protein ähnliche Strukturen wie bekannte pathogene Proteine ​​aufweist.

Biosicherheit unterdrückt den Datenaustausch nicht. Zusammenarbeit ist für die Wissenschaft von entscheidender Bedeutung, aber die Autoren erkennen an, dass sie dennoch notwendig ist, um Geschäftsgeheimnisse zu schützen. Und wie bei der KI können einige Designerproteine ​​möglicherweise nützlich sein, aber zu gefährlich, um sie offen zu teilen.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, Sicherheitsmaßnahmen direkt in den Syntheseprozess selbst einzubauen. Die Autoren schlagen beispielsweise vor, jeder neuen genetischen Sequenz einen Barcode hinzuzufügen, der aus zufälligen DNA-Buchstaben besteht. Um das Protein aufzubauen, durchsucht eine Synthesemaschine seine DNA-Sequenz und beginnt erst, wenn sie den Code findet, mit dem Aufbau des Proteins.

Mit anderen Worten: Die ursprünglichen Designer des Proteins können wählen, mit wem sie die Synthese teilen – oder ob sie sie überhaupt teilen – und haben gleichzeitig die Möglichkeit, ihre Ergebnisse in Veröffentlichungen zu beschreiben.

Eine Barcode-Strategie, die die Herstellung neuer Proteine ​​an eine Synthesemaschine bindet, würde außerdem die Sicherheit erhöhen und Kriminelle abschrecken, wodurch es schwierig wird, potenziell gefährliche Produkte nachzubilden.

„Wenn irgendwo auf der Welt eine neue biologische Bedrohung auftaucht, könnten die damit verbundenen DNA-Sequenzen bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden“, schreiben die Autoren.

Es wird ein harter Weg sein. Die Sicherheit von Designerproteinen hängt von der weltweiten Unterstützung von Wissenschaftlern, Forschungseinrichtungen und Regierungen ab, schreiben die Autoren. Es gab jedoch bereits frühere Erfolge. Globale Gruppen haben Sicherheits- und Austauschrichtlinien in anderen umstrittenen Bereichen wie Stammzellenforschung, Gentechnik, Gehirnimplantaten und KI erstellt. Obwohl nicht immer befolgt –CRISPR-Babys sind ein berüchtigtes Beispiel– Diese internationalen Richtlinien haben größtenteils dazu beigetragen, die Spitzenforschung auf sichere und gerechte Weise voranzubringen.

Nach Ansicht von Baker und Church werden offene Diskussionen über Biosicherheit das Feld nicht bremsen. Vielmehr kann es verschiedene Sektoren zusammenbringen und eine öffentliche Diskussion anstoßen, damit das maßgeschneiderte Proteindesign weiter florieren kann.

Bild-Kredit: Universität von Washington

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/01/29/ai-can-design-totally-new-proteins-from-scratch-its-time-to-talk-biosecurity/