人工智能和基因编辑有望将生物技术推向高速发展

在2018年诺贝尔化学奖颁奖典礼上，弗朗西斯·阿诺德（Frances Arnold）说：“今天，我们可以出于所有实际目的读取、写入和编辑任何DNA序列，但我们无法组成它。这不再是真的了。

从那时起，科学技术取得了长足的进步，人工智能已经学会了组成DNA，而通过转基因细菌，科学家们正在设计和制造定制蛋白质。

目标是利用人工智能的设计天赋和基因编辑的工程能力，科学家可以修改细菌，使其充当微型工厂，生产新的蛋白质，这些蛋白质可以减少温室气体，消化塑料或充当物种特定的杀虫剂。

作为一名研究分子科学和环境化学的化学教授和计算化学家，我相信人工智能和基因编辑的进步使这成为现实。

基因测序——解读生命的食谱

所有生物都含有遗传物质——DNA 和 RNA——它们提供了自我复制和制造蛋白质所需的遗传信息。蛋白质占人类干重的75%。它们构成肌肉、酶、激素、血液、头发和软骨。了解蛋白质意味着了解生物学的大部分内容。DNA中核苷酸碱基的顺序，或某些病毒中的RNA，编码这些信息，基因组测序技术识别这些碱基的顺序。

人类基因组计划是一项国际努力，从1990年到2003年对整个人类基因组进行了测序。由于技术的快速发展，对前1%的基因组进行了7年的测序，对剩余的99%的基因组进行了7年的测序。到2003年，科学家们已经掌握了人类基因组中编码20,000至25,000个基因的30亿个核苷酸碱基对的完整序列。

然而，了解大多数蛋白质的功能并纠正其功能障碍仍然是一个挑战。

人工智能学习蛋白质

每种蛋白质的形状对其功能至关重要，由其氨基酸序列决定，而氨基酸序列又由基因的核苷酸序列决定。错误折叠的蛋白质具有错误的形状，可导致神经退行性疾病、囊性纤维化和 2 型糖尿病等疾病。了解这些疾病并开发治疗方法需要了解蛋白质形状。

在2016年之前，确定蛋白质形状的唯一方法是通过X射线晶体学，这是一种实验室技术，它利用单晶对X射线的衍射来确定分子中原子和分子在三维空间中的精确排列。当时，大约200,000种蛋白质的结构是通过晶体学确定的，耗资数十亿美元。

机器学习程序AlphaFold使用这些晶体结构作为训练集，从其核苷酸序列中确定蛋白质的形状。在不到一年的时间里，该计划计算了所有2.14亿个已测序和发表的基因的蛋白质结构。AlphaFold确定的蛋白质结构都已在免费提供的数据库中发布。

为了有效地解决非传染性疾病和设计新药，科学家们需要更详细地了解蛋白质，尤其是酶如何结合小分子。酶是促成和调节生化反应的蛋白质催化剂。

2024 年 5 月 8 日发布的 AlphaFold3 可以预测蛋白质形状以及小分子可以与这些蛋白质结合的位置。在合理的药物设计中，药物被设计为结合与所治疗疾病相关的途径中涉及的蛋白质。小分子药物与蛋白质结合位点结合并调节其活性，从而影响疾病路径。通过能够预测蛋白质结合位点，AlphaFold3将增强研究人员的药物开发能力。

AI + CRISPR = 组成新蛋白质

2015年左右，CRISPR技术的发展彻底改变了基因编辑。CRISPR可用于查找基因的特定部分，更改或删除它，使细胞或多或少地表达其基因产物，甚至在其位置上添加一个完全陌生的基因。

2020 年，Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 因“开发基因组编辑方法 （CRISPR）”而获得诺贝尔化学奖。有了CRISPR，曾经需要数年时间、物种特异性、昂贵且费力的基因编辑现在可以在几天内完成，而且成本只是其中的一小部分。

人工智能和基因工程正在迅速发展。曾经复杂而昂贵的事情现在已经司空见惯。展望未来，我们的梦想是通过机器学习和CRISPR修饰细菌的结合来设计和生产定制蛋白质。人工智能将设计蛋白质，而使用CRISPR改变的细菌将产生蛋白质。以这种方式生产的酶可能会在呼出有机原料时吸入二氧化碳和甲烷，或者将塑料分解成混凝土的替代品。

我相信这些雄心壮志并非不切实际，因为转基因生物已经占美国农业和制药业经济的2%。

两个小组从头开始制造了由不同的人工智能系统设计的功能酶。华盛顿大学（University of Washington）的大卫·贝克（David Baker）蛋白质设计研究所（Institute for Protein Design）设计了一种新的基于深度学习的蛋白质设计策略，名为“全家族幻觉”，他们用它来制造一种独特的发光酶。与此同时，生物技术初创公司Profluent使用从所有CRISPR-Cas知识中训练出来的人工智能来设计新的功能基因组编辑器。

如果人工智能能够学会制造新的CRISPR系统以及地球上从未见过的生物发光酶，那么将CRISPR与人工智能配对就有望用于设计其他新的定制酶。尽管CRISPR-AI组合仍处于起步阶段，但一旦成熟，它可能会非常有益，甚至可以帮助世界应对气候变化。

然而，重要的是要记住，一项技术越强大，它带来的风险就越大。此外，由于自然系统的复杂性和相互关联性，人类在自然工程方面并不是很成功，这往往会导致意想不到的后果。

来源：七元宇宙

编辑：Luke

（声明：请读者严格遵守所在地法律法规，本文不代表任何投资建议）