إمكانيات غير محدودة – تولد تقنية الذكاء الاصطناعي البروتينات الأصلية من الصفر
أدى نموذج اللغة الطبيعية إلى بدء عملية تصميم البروتين عن طريق تكوين إنزيمات نشطة.
طور باحثون نظام ذكاء اصطناعي يمكنه إنتاج إنزيمات اصطناعية من نقطة الصفر. في التجارب المعملية، أظهرت بعض هذه الإنزيمات فعالية مماثلة للإنزيمات الطبيعية، حتى عندما انحرفت سلاسل الأحماض الأمينية التي تم إنشاؤها صناعيًا بشكل كبير عن أي بروتين طبيعي معروف.
تظهر التجربة أن معالجة اللغة الطبيعية، التي تم إنشاؤها في البداية لقراءة وكتابة نصوص اللغة، يمكنها استيعاب مفاهيم أساسية معينة في علم الأحياء. تم تطوير برنامج الذكاء الاصطناعي، المعروف باسم ProGen ، بواسطة Salesforce Research ويستخدم التنبؤ بالرمز التالي لبناء بروتينات اصطناعية من تسلسل الأحماض الأمينية.
قال العلماء إن التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تصبح أقوى من التطور الموجه، وهي تقنية تصميم البروتين الحائزة على جائزة نوبل، وسوف تنشط مجال هندسة البروتين البالغ من العمر 50 عامًا عن طريق تسريع تطوير بروتينات جديدة يمكن استخدامها تقريبًا. أي شيء من العلاجات إلى البلاستيك المهين.
قال جيمس فريزر، دكتوراه، أستاذ الهندسة الحيوية والعلوم العلاجية في كلية الصيدلة بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو، ومؤلف العمل، الذي كان مؤخرًا نُشرت في Nature Biotechnology . تتوفر نسخة سابقة من الورقة على خادم ما قبل الطباعة BiorXiv منذ يوليو 2021، حيث حصلت على عشرات الاستشهادات قبل نشرها في مجلة تمت مراجعتها من قبل الزملاء.
قال فريزر: “إن نموذج اللغة يتعلم جوانب التطور، لكنه يختلف عن العملية التطورية العادية”. “لدينا الآن القدرة على ضبط توليد هذه الخصائص لتأثيرات محددة. على سبيل المثال، إنزيم قابل للحرارة بشكل لا يصدق أو يحب البيئات الحمضية أو لا يتفاعل مع البروتينات الأخرى “.
لإنشاء النموذج، قام العلماء ببساطة بإدخال متواليات الأحماض الأمينية المكونة من 280 مليون بروتين مختلف من جميع الأنواع في نموذج التعلم الآلي وتركوه يهضم المعلومات لبضعة أسابيع. بعد ذلك، قاموا بضبط النموذج بتجهيزه بـ 56000 تسلسل من خمس عائلات من الليزوزيم ، جنبًا إلى جنب مع بعض المعلومات السياقية حول هذه البروتينات.
أنتج النموذج بسرعة مليون تسلسل، واختار فريق البحث 100 للاختبار، بناءً على مدى تشابهها مع تسلسل البروتينات الطبيعية، وكذلك مدى طبيعية “قواعد” و “دلالات” الأحماض الأمينية الأساسية لبروتينات الذكاء الاصطناعي.
من بين هذه الدفعة الأولى المكونة من 100 بروتين، والتي تم فحصها في المختبر بواسطة Tierra Biosciences ، صنع الفريق خمس بروتينات اصطناعية لاختبارها في الخلايا وقارن نشاطها بأنزيم موجود في بياض بيض الدجاج، يُعرف باسم الليزوزيم بياض الدجاج. (HEWL). تم العثور على الليزوزيمات المماثلة في دموع الإنسان، واللعاب، والحليب، حيث تحمي ضد البكتيريا والفطريات.
تمكن اثنان من الإنزيمات الاصطناعية من تكسير جدران الخلايا للبكتيريا بنشاط مماثل لـ HEWL، ومع ذلك كانت متوالياتهم متطابقة بنسبة 18 ٪ فقط مع بعضها البعض. كان التسلسلان متطابقين بنسبة 90٪ و70٪ مع أي بروتين معروف.
يمكن لطفرة واحدة فقط في بروتين طبيعي أن تجعله يتوقف عن العمل، ولكن في جولة مختلفة من الفحص، وجد الفريق أن الإنزيمات التي يولدها الذكاء الاصطناعي أظهرت نشاطًا حتى عندما كان أقل من 31.4٪ من تسلسلها يشبه أي بروتين طبيعي معروف.
كان الذكاء الاصطناعي قادرًا على تعلم كيفية تشكيل الإنزيمات، وذلك ببساطة من خلال دراسة بيانات التسلسل الأولي. عند القياس باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية، بدت الهياكل الذرية للبروتينات الاصطناعية كما ينبغي، على الرغم من أن التسلسلات لم تكن مثل أي شيء مرئي من قبل.
قامت Salesforce Research بتطوير ProGen في عام 2020، بناءً على نوع من برمجة اللغة الطبيعية التي طورها باحثوهم في الأصل لإنشاء نص باللغة الإنجليزية.
لقد عرفوا من عملهم السابق أن نظام الذكاء الاصطناعي يمكن أن يعلم نفسه القواعد النحوية ومعنى الكلمات، إلى جانب القواعد الأساسية الأخرى التي تجعل الكتابة جيدة التكوين.
قال نيخيل نايك، دكتوراه، مدير أبحاث الذكاء الاصطناعي في Salesforce Research ، والمؤلف الأول للورقة: “عندما تقوم بتدريب النماذج المستندة إلى التسلسل مع الكثير من البيانات، فهي قوية حقًا في بنية التعلم والقواعد”. “يتعلمون الكلمات التي يمكن أن تحدث، وكذلك التكوين.”
مع البروتينات، كانت خيارات التصميم غير محدودة تقريبًا. الليزوزيمات صغيرة مثل البروتينات، وتحتوي على ما يصل إلى 300 من الأحماض الأمينية. ولكن مع وجود 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المحتملة، يوجد عدد هائل (20300) من التركيبات الممكنة. هذا أكبر من أخذ كل البشر الذين عاشوا عبر الزمن، مضروبًا في عدد حبات الرمل على الأرض، مضروبًا في عدد الذرات في الكون.
بالنظر إلى الاحتمالات اللامحدودة، من اللافت للنظر أن النموذج يمكنه بسهولة توليد إنزيمات عاملة.
قال علي مدني، دكتوراه، مؤسس Profluent Bio ، وهو عالم أبحاث سابق في Salesforce Research: “القدرة على توليد بروتينات وظيفية من البداية خارج الصندوق تدل على أننا ندخل في عصر جديد من تصميم البروتين”. ، والمؤلف الأول للورقة. “هذه أداة جديدة متعددة الاستخدامات متاحة لمهندسي البروتين، ونتطلع إلى رؤية التطبيقات العلاجية.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
