Gjatë saj leksion për çmimin Nobel për kimi në vitin 2018, Frances Arnold tha: “Sot ne mund të lexojmë, shkruajmë dhe modifikojmë çdo sekuencë të ADN-së për të gjitha qëllimet praktike, por nuk mund ta kompozojmë atë.” Kjo nuk është më e vërtetë.
Që atëherë, shkenca dhe teknologjia kanë përparuar aq shumë sa inteligjenca artificiale ka mësuar të përbërë ADN-në, dhe me bakteret e modifikuara gjenetikisht, shkencëtarët janë në rrugën e tyre drejt dizajnimit dhe prodhimit të proteinave me porosi.
Qëllimi është që me talentet e projektimit të AI dhe aftësitë inxhinierike të redaktimit të gjeneve, shkencëtarët mund të modifikojnë bakteret për të vepruar si mini fabrika që prodhojnë proteina të reja që mund të reduktojnë gazrat serrë, të tresin plastikën ose të veprojnë si pesticide specifike për speciet.
Si nje profesor i kimisë dhe kimist llogaritës i cili studion shkencën molekulare dhe kiminë e mjedisit, besoj se përparimet në AI dhe redaktimi i gjeneve e bëjnë këtë një mundësi realiste.
Sekuenca e gjeneve – Leximi i recetave të jetës
Të gjitha gjallesat përmbajnë materiale gjenetike – ADN dhe ARN – që sigurojnë informacionin trashëgues të nevojshëm për të riprodhuar veten dhe për të krijuar proteina. Proteinat përbëjnë 75% të peshës së thatë të njeriut. Ato përbëjnë muskujt, enzimat, hormonet, gjakun, flokët dhe kërcin. Të kuptosh proteinat do të thotë të kuptosh pjesën më të madhe të biologjisë. Rendi i bazave nukleotide në ADN, ose ARN në disa viruse, e kodon këtë informacion dhe teknologjitë e sekuencës gjenomike identifikojnë rendin e këtyre bazave.
Të Projekti i Gjenomit Njerëzor ishte një përpjekje ndërkombëtare që renditi të gjithë gjenomin njerëzor nga viti 1990 deri në vitin 2003. Falë teknologjive që përmirësoheshin me shpejtësi, u deshën shtatë vjet për të renditur 1% të parë të gjenomit dhe shtatë vjet të tjera për 99% të mbetur. Deri në vitin 2003, shkencëtarët kishin sekuencën e plotë të 3 miliardë çifteve të bazave nukleotide që kodonin 20,000 deri në 25,000 gjene në gjenomin e njeriut.
Megjithatë, të kuptuarit e funksioneve të shumicës së proteinave dhe korrigjimi i keqfunksionimeve të tyre mbeti një sfidë.
AI mëson proteinat
Forma e çdo proteine është kritike për funksionin e saj dhe përcaktohet nga sekuenca e aminoacideve të saj, e cila nga ana tjetër përcaktohet nga sekuenca nukleotide e gjenit. Proteinat e palosura gabim kanë formën e gabuar dhe mund të shkaktojë sëmundje si sëmundjet neurodegjenerative, fibroza cistike dhe diabeti i tipit 2. Kuptimi i këtyre sëmundjeve dhe zhvillimi i trajtimeve kërkon njohuri për format e proteinave.
Përpara vitit 2016, e vetmja mënyrë për të përcaktuar formën e një proteine ishte përmes Kristalografia me rreze X, një teknikë laboratorike që përdor difraksionin e rrezeve X nga kristalet e vetme për të përcaktuar rregullimin e saktë të atomeve dhe molekulave në tre dimensione në një molekulë. Në atë kohë, struktura e rreth 200,000 proteinave ishte përcaktuar me anë të kristalografisë, duke kushtuar miliarda dollarë.
AlphaFold, një program për mësimin e makinerive, përdori këto struktura kristalore si një grup trajnimi për të përcaktuar formën e proteinave nga sekuencat e tyre nukleotide. Dhe në më pak se një vit, programi llogaritur strukturat e proteinave nga të gjitha 214 milionë gjenet që janë renditur dhe publikuar. Strukturat proteinike të përcaktuara AlphaFold janë lëshuar të gjitha në a bazën e të dhënave të disponueshme lirisht.
Për të trajtuar në mënyrë efektive sëmundjet joinfektive dhe për të krijuar ilaçe të reja, shkencëtarët kanë nevojë për njohuri më të hollësishme se si proteinat, veçanërisht enzimat, lidhin molekulat e vogla. Enzimat janë katalizatorë proteinikë që mundësojnë dhe rregullojnë reaksionet biokimike.
Sistemi i AI AlphaFold3 i lejon shkencëtarët të bëjnë modele të detajuara të ndërlikuara të makinerisë molekulare të jetës.
AlfaFold3, i lëshuar më 8 maj 2024, mund të parashikojë format e proteinave dhe vendet ku molekulat e vogla mund të lidhen me këto proteina. Në dizajn racional i barnave, barnat janë krijuar për të lidhur proteinat e përfshira në një rrugë që lidhet me sëmundjen që trajtohet. Ilaçet me molekula të vogla lidhen me vendin e lidhjes së proteinave dhe modulojnë aktivitetin e saj, duke ndikuar kështu në rrugën e sëmundjes. Duke qenë në gjendje të parashikojë vendet e lidhjes së proteinave, AlphaFold3 do të përmirësojë aftësitë e studiuesve për zhvillimin e ilaçeve.
AI + CRISPR = Përbërja e proteinave të reja
Rreth vitit 2015, zhvillimi i Teknologjia CRISPR revolucionarizoi redaktimin e gjeneve. CRISPR mund të përdoret për të gjetur një pjesë specifike të një gjeni, për ta ndryshuar ose fshirë atë, për ta bërë qelizën të shprehë pak a shumë produktin e saj të gjenit, ose madje të shtojë një gjen krejtësisht të huaj në vend të tij.
Në vitin 2020, Jennifer Doudna dhe Emmanuelle Charpentier morën çmimin Nobel në kimi.për zhvillimin e një metode (CRISPR) për redaktimin e gjenomit.” Me CRISPR, redaktimi i gjeneve, i cili dikur kërkonte vite dhe ishte specifik për speciet, i kushtueshëm dhe i mundimshëm, tani mund të bëhet në ditë dhe për një pjesë të kostos.
Inteligjenca artificiale dhe inxhinieria gjenetike po përparojnë me shpejtësi. Ajo që dikur ishte e ndërlikuar dhe e shtrenjtë tani është rutinë. Duke parë përpara, ëndrra është e proteinave me porosi të dizajnuara dhe prodhuara nga një kombinim i mësimit të makinerive dhe baktereve të modifikuara nga CRISPR. AI do të projektonte proteinat dhe bakteret e ndryshuara duke përdorur CRISPR do të prodhonin proteinat. Enzimat e prodhuara në këtë mënyrë potencialisht mund të thithin dioksid karboni dhe metan gjatë nxjerrjes së lëndëve ushqyese organike, ose të zbërthejnë plastikën në zëvendësues të betonit.
Besoj se këto ambicie nuk janë joreale, duke pasur parasysh se organizmat e modifikuar gjenetikisht tashmë përbëjnë 2% të ekonomisë amerikane në bujqësi dhe farmaceutikë.
Dy grupe kanë bërë enzima funksionale nga e para që janë projektuar nga sisteme të ndryshme të AI. David Baker's Instituti për Projektimin e Proteinave në Universitetin e Uashingtonit shpiku një strategji të re të projektimit të proteinave të bazuara në të mësuarit e thellë që e quajti “halucinacione në të gjithë familjen”, të cilën ata e bënin bëjnë një enzimë unike që lëshon dritë. Ndërkohë startup-i i bioteknologjisë I shkëlqyerka përdorur një AI të trajnuar nga shuma e të gjitha njohurive CRISPR-Cas për të hartuar redaktorë të rinj funksionalë të gjenomit.
Nëse AI mund të mësojë të bëjë sisteme të reja CRISPR si dhe enzima biolumineshente që funksionojnë dhe nuk janë parë kurrë në Tokë, ka shpresë që çiftimi i CRISPR me AI mund të përdoret për të dizajnuar enzima të tjera të reja me porosi. Megjithëse kombinimi CRISPR-AI është ende në fillimet e tij, pasi të piqet, ka të ngjarë të jetë shumë i dobishëm dhe madje mund të ndihmojë botën të trajtojë ndryshimet klimatike.
Megjithatë, është e rëndësishme të mbani mend se sa më e fuqishme të jetë një teknologji, aq më të mëdha janë rreziqet ajo paraqet. Gjithashtu, njerëzit kanë nuk ka qenë shumë i suksesshëm në natyrën inxhinierike për shkak të kompleksitetit dhe ndërlidhjes së sistemeve natyrore, gjë që shpesh çon në pasoja të padëshiruara.
Marc Zimmer është profesor i kimisë në Kolegjin e Konektikatit. Ky artikull është ribotuar nga Biseda nën një Licenca Creative Commons. Lexoni artikull origjinal.
