29 Ocak 2024

Yirmi yıl önce, tasarlanmış proteinler mühendisliği bir hayaldi.

Şimdi, yapay zeka sayesinde, özel proteinler bir düzineden fazla. Sipariş üzerine üretilen proteinler genellikle doğada bulunmayan yetenekler kazandıran belirli şekillere veya bileşenlere sahip. Daha uzun ömürlü ilaçlar ve protein bazlı aşılardan daha çevreci biyoyakıtlara ve plastik yiyen proteinlere kadar bu alan hızla dönüştürücü bir teknoloji haline geliyor.

Özel protein tasarımı derin öğrenme tekniklerine dayanıyor. OpenAI’nin gişe rekorları kıran ChatGPT’sinin arkasındaki yapay zeka olan büyük dil modellerinin insan hayal gücünün ötesinde milyonlarca yapıyı hayal etmesiyle, biyoaktif tasarım proteinleri kütüphanesi hızla genişlemeye hazırlanıyor.

Washington Üniversitesi’nden Dr. Neil King kısa bir süre önce Nature dergisine verdiği demeçte, “Bu son derece cesaret verici” dedi. “Bir buçuk yıl önce imkansız olan şeyleri şimdi yapabiliyorsunuz.”

Ancak büyük güç, büyük sorumluluğu da beraberinde getiriyor. Yeni tasarlanan proteinler tıpta ve biyomühendislikte kullanım için giderek daha fazla ilgi görürken, bilim insanları şimdi merak ediyor: Bu teknolojiler kötü amaçlar için kullanılırsa ne olur?

Science dergisinde yakın zamanda yayımlanan bir makale, tasarım proteinleri için biyogüvenlik ihtiyacının altını çiziyor. Yapay zeka güvenliği konusunda süregelen tartışmalara benzer şekilde, yazarlar da özel proteinlerin kötü amaçlar için kullanılmaması için biyogüvenlik risklerini ve politikalarını dikkate almanın zamanının geldiğini söylüyor.

Makale, alanında uzman iki kişi tarafından kaleme alınmıştır. Biri, Washington Üniversitesi Protein Tasarımı Enstitüsü Direktörü Dr. David Baker, RoseTTAFold’un geliştirilmesine öncülük etmiştir; bu algoritma, sadece amino asit dizilimlerinden protein yapısının çözülmesine ilişkin yaklaşık yarım asırlık sorunu çözmüştür. Diğeri, Harvard Tıp Fakültesi’nden Dr. George Church ise genetik mühendisliği ve sentetik biyoloji alanlarında öncü bir isim.

Sentetik proteinlerin, her yeni proteinin genetik dizisine gömülü barkodlara ihtiyacı olduğunu öne sürüyorlar. Tasarlanan proteinlerden herhangi biri bir tehdit haline gelirse – örneğin tehlikeli bir salgını tetikleme potansiyeli taşırsa – barkodu, kökenine kadar izlenmesini kolaylaştıracaktır.

İkili, sistemin temelde “bir denetim izi” sağladığını yazıyor.

Dünyalar Çarpışıyor

Tasarım proteinleri ayrılmaz bir şekilde yapay zekaya bağlıdır. Potansiyel biyogüvenlik politikaları da öyle.

Baker’ın laboratuvarı on yılı aşkın bir süre önce Top7 adlı bir proteini tasarlamak ve oluşturmak için yazılım kullandı. Proteinler, her biri DNA’mızın içinde kodlanmış olan amino asit adı verilen yapı taşlarından oluşur. Bir ipin üzerindeki boncuklar gibi, amino asitler daha sonra belirli 3D şekillere döndürülür ve bükülür, bunlar genellikle proteinin işlevini destekleyen sofistike yapılara dönüşür.

Top7 doğal hücre bileşenleriyle “konuşamıyordu”; herhangi bir biyolojik etkisi yoktu. Ancak o zaman bile ekip, yeni proteinler tasarlamanın “protein evreninin henüz doğada gözlemlenmemiş geniş bölgelerini” keşfetmeyi mümkün kıldığı sonucuna vardı.

Yapay zekaya geçelim. Geleneksel laboratuvar çalışmalarına kıyasla süpersonik hızlarda yeni proteinler tasarlamak için yakın zamanda birden fazla strateji geliştirildi.

Bunlardan biri, DALL-E gibi görüntü oluşturma araçlarına benzer şekilde çalışan yapı tabanlı yapay zeka. Bu yapay zeka sistemleri kirli veriler üzerinde eğitiliyor ve gerçekçi protein yapıları bulmak için kirliliği ortadan kaldırmayı öğreniyor. Difüzyon modelleri olarak adlandırılan bu sistemler, biyolojiyle uyumlu protein yapılarını kademeli olarak öğreniyor.

Bir başka strateji de büyük dil modellerine dayanıyor. ChatGPT gibi, algoritmalar protein “kelimeleri” arasındaki bağlantıları hızla bulur ve bu bağlantıları bir tür biyolojik gramere dönüştürür. Bu modellerin ürettiği protein iplikçiklerinin vücudun deşifre edebileceği yapılara dönüşmesi muhtemeldir. Bunun bir örneği, yeni özelliklere yol açabilecek şekillere sahip aktif proteinler tasarlayabilen ProtGPT2’dir.

Dijitalden Fiziksele
Bu yapay zekâ protein tasarım programları alarm zillerini çaldırıyor. Proteinler yaşamın yapı taşlarıdır – değişiklikler hücrelerin ilaçlara, virüslere veya diğer patojenlere nasıl tepki vereceğini önemli ölçüde değiştirebilir.

Geçen yıl, dünyanın dört bir yanındaki hükümetler YZ güvenliğini denetleme planlarını açıkladı. Teknoloji bir tehdit olarak konumlandırılmadı. Bunun yerine yasa koyucular, araştırmaların gizlilik yasalarına uymasını ve ekonomiyi, kamu sağlığını ve ulusal savunmayı desteklemesini sağlayan politikaları ihtiyatlı bir şekilde ortaya koydular. Bu konuda öncülük eden Avrupa Birliği, teknolojiyi belirli alanlarda sınırlandırmak için YZ Yasası üzerinde anlaştı.

Sentetik proteinler düzenlemelerde doğrudan belirtilmemiştir. Baker ve Church’e göre bu, aşırı kısıtlayıcı düzenlemelerle diz çökebilecek olan tasarımcı proteinleri yapmak için harika bir haber. Bununla birlikte, Birleşmiş Milletler’in YZ danışma organının bu yılın ortasında uluslararası düzenlemelere ilişkin kılavuz ilkeleri paylaşmasıyla birlikte yeni YZ mevzuatı üzerinde çalışılıyor.

Tasarım proteinleri yapmak için kullanılan YZ sistemleri son derece uzmanlaşmış olduğundan, alan kendi kendini düzenlemek için küresel bir çaba içinde birleşirse, düzenleyici radarların altında kalabilirler.

YZ destekli protein tasarımının tartışıldığı 2023 YZ Güvenlik Zirvesi’nde uzmanlar, her yeni proteinin altında yatan DNA’nın belgelenmesinin kilit önem taşıdığı konusunda hemfikirdi. Doğal muadilleri gibi, tasarım proteinleri de genetik koddan inşa edilir. Tüm sentetik DNA dizilerinin bir veritabanına kaydedilmesi, potansiyel olarak zararlı tasarımlar için kırmızı bayrakların tespit edilmesini kolaylaştırabilir – örneğin, yeni bir protein bilinen patojenik olanlara benzer yapılara sahipse.

Biyogüvenlik veri paylaşımını engellemez. İşbirliği bilim için kritik önem taşıyor, ancak yazarlar ticari sırları korumak için hala gerekli olduğunu kabul ediyor. Yapay zekada olduğu gibi, bazı tasarlanmış proteinler potansiyel olarak yararlı ancak açıkça paylaşılamayacak kadar tehlikeli olabilir.

Bu muammayı aşmanın bir yolu, sentez sürecinin kendisine doğrudan güvenlik önlemleri eklemektir. Örneğin, yazarlar her yeni genetik diziye rastgele DNA harflerinden oluşan bir barkod eklemeyi önermektedir. Bir sentez makinesi proteini oluşturmak için DNA dizisini arar ve ancak kodu bulduğunda proteini oluşturmaya başlar.

Başka bir deyişle, proteinin orijinal tasarımcıları sentezi kiminle paylaşacaklarını ya da hiç paylaşıp paylaşmayacaklarını seçebilirken, sonuçlarını yayınlarda açıklayabilirler.

Yeni protein üretimini bir sentez makinesine bağlayan bir barkod stratejisi aynı zamanda güvenliği artıracak ve kötü aktörleri caydırarak potansiyel olarak tehlikeli ürünlerin yeniden yaratılmasını zorlaştıracaktır.

Yazarlar, “Dünyanın herhangi bir yerinde yeni bir biyolojik tehdit ortaya çıkarsa, ilişkili DNA dizileri kökenlerine kadar izlenebilir” diye yazıyorlar.

Bu zorlu bir yol olacak. Yazarlar, tasarımcı protein güvenliğinin bilim insanlarının, araştırma kurumlarının ve hükümetlerin küresel desteğine bağlı olacağını yazıyor. Ancak, daha önce elde edilen başarılar var. Küresel gruplar kök hücre araştırmaları, genetik mühendisliği, beyin implantları ve yapay zeka gibi diğer tartışmalı alanlarda güvenlik ve paylaşım kılavuzları oluşturmuştur. Her zaman takip edilmese de -RISPR bebekleri kötü şöhretli bir örnektir- bu uluslararası kılavuzlar çoğunlukla en ileri araştırmaların güvenli ve adil bir şekilde ilerlemesine yardımcı olmuştur.

Baker ve Church’e göre, biyogüvenlikle ilgili açık tartışmalar bu alanı yavaşlatmayacaktır. Aksine, farklı sektörleri bir araya getirebilir ve özel protein tasarımının daha da gelişebilmesi için kamuoyu tartışmalarını başlatabilir.