Южнокорейские исследователи использовали искусственный интеллект для создания ДНК, которая складывается в крошечные формы

Ключевые моменты

• Южнокорейские исследователи опубликовали исследование в Nature Communications, показывающее, что модель ИИ Generative SNUPI может разрабатывать структуры ДНК на основе рисунков пользователя.
• ДНК-оригами, техника сгибания генетического материала в точные формы, существует примерно 20 лет, но развивается медленно из-за дорогостоящего и трудоёмкого процесса разработки.
• Generative SNUPI использует диффузионную модель — ту же категорию ИИ, что питает генераторы изображений вроде DALL-E, для преобразования целевой формы в рабочий ДНК-чертёж.
• Исследовательские группы базируются в Сеульском национальном университете и университете Ханян в Южной Корее.
• Будущие версии инструмента могут поддерживать гибкие движущиеся структуры, необходимые для доставки лекарств и лечения рака.

Представьте себе складывание листа бумаги в журавля оригами, только бумага — это цепь ДНК, а готовый журавль в тысячи раз меньше человеческого волоса. Это основная идея ДНК-оригами, которая вызывает энтузиазм учёных перспективами от крошечных медицинских роботов до структур, способных доставлять лекарства непосредственно внутрь организма.

Сложность всегда была в этапе разработки. Выяснение того, как именно последовательно расположить, или упорядочить, химические буквы ДНК, чтобы цепь сложилась в нужную форму, требует специализированных знаний, большого количества ручной работы и значительного времени.

Новая модель ИИ под названием Generative SNUPI, сокращённо от Structured Nucleic Acids Programming Interface, призвана устранить это узкое место. Команды из Сеульского национального университета и университета Ханян создали инструмент и описали его в журнале Nature Communications. Как впервые сообщил IEEE Spectrum AI, модель может взять рисунок пользователя — скажем, мордочку собаки или силуэт Моны Лизы — и выдать работающий ДНК-дизайн.

Модель использует так называемую диффузионную модель. Представьте это как нанесение штриховки над фигурой миллионами крошечных точных точек, пока сами точки не станут чертежом. Модель знает химические правила, которым подчиняется ДНК: конкретно, какие молекулярные строительные блоки притягиваются друг к другу. Она использует эти правила для заполнения целевой формы действительной последовательностью ДНК.

После завершения разработки лабораторные учёные синтезируют, то есть химически производят, короткие цепи ДНК, называемые скобами. Эти скобы подтягивают более длинную цепь, называемую скаффолдом, в предполагаемую форму. Кён Чон, кандидат наук в Сеульском национальном университете, участвовавший в проекте, говорит, что процесс «очень похож на скрепление бумаги скобами».

Команда обнаружила, что некоторые формы вначале не держались не из-за ошибки ИИ, а потому что сама входная форма была конструктивно нестабильна. Они добавили проверку перед этапом разработки, чтобы выявить эти случаи на раннем этапе.

Что это значит для медицины?

Пока это в основном влияет на исследователей. Текущая версия Generative SNUPI создаёт жёсткие структуры, а многие реальные медицинские применения, такие как доставка лекарства к раковой клетке, требуют структур, способных сгибаться и двигаться. До-Нюн Ким, доцент Сеульского национального университета, говорит, что команда планирует расширить работу на динамические переконфигурируемые конструкции в будущих исследованиях.

Если эта цель будет достигнута, практические результаты могут включать более точные системы доставки лекарств и новые инструменты для иммунотерапии — методы лечения, обучающие иммунную систему бороться с болезнями. Это всё ещё в будущем. Но уже сегодня инструмент делает требовательный процесс, доступный только экспертам, доступным для гораздо более широкой группы учёных.

Ребекка Тейлор, профессор механической инженерии в Университете Карнеги — Меллона, не участвовавшая в исследовании, выразилась кратко: «Вся область как бы зависит от своих инструментов и ограничена ими. Когда вы создаёте новый инструмент, позволяющий реализовать новые возможности, это просто огромный прорыв для области».