Google và OpenAI cũng tham gia vào việc “tạo ra con người” AI? Đội ngũ sáng lập: Trình biên tập gen AI mã nguồn mở chỉ là phần nổi của tảng băng chìm.

AI Đã Biên Tập DNA, Và Đó Là Phiên Bản Mở Rộng!

Những hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) hiện không chỉ sáng tạo nên các mô hình sáng tác thơ ca, mã hóa và video, mà còn đã phát triển công cụ chỉnh sửa DNA chính xác dựa trên nguồn mở. Đây không chỉ là một bước tiến lớn trong lĩnh vực AI mà còn dự báo rằng trong tương lai, các nhà khoa học có thể đối phó với nhiều bệnh tật một cách nhanh chóng và chính xác hơn.

Gần đây, một công ty khởi nghiệp có tên Profluent tại Hoa Kỳ đã công bố công nghệ này và dự kiến sẽ trình bày bài viết liên quan tại Hội nghị thường niên của Hiệp hội Gen và Điều trị tế bào ở Mỹ vào tháng tới. “Việc sử dụng công nghệ AI để tạo ra cơ chế chỉnh sửa gen là một bước đột phá lịch sử,” James Fraser, giáo sư và chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật sinh học và Khoa học điều trị tại Đại học California San Francisco, cho biết.

Profluent đã phân tích dữ liệu sinh học khổng lồ và thông qua việc mô hình hóa chuỗi CRISPR-Cas bằng thuật toán AI, họ đã thiết kế ra một bộ chỉnh sửa bộ gen có chức năng cao và đặt tên là OpenCRISPR-1. Thông qua OpenCRISPR-1, hệ thống AI của công ty đã học từ hàng triệu chuỗi và bối cảnh sinh học, tạo ra hàng triệu protein giống như CRISPR mà không tồn tại trong tự nhiên, từ đó mở rộng đáng kể đa dạng của hầu hết tất cả các gia đình CRISPR đã biết.

Mặt khác, bộ chỉnh sửa gen OpenCRISPR-1 đang được mở nguồn. Điều này có nghĩa là nó cho phép cá nhân, phòng thí nghiệm học thuật và công ty thử nghiệm công cụ này miễn phí. Nhiều nhà nghiên cứu thường mở nguồn phần mềm AI cơ bản của họ để người khác có thể tiếp tục phát triển dựa trên kết quả của họ, giúp tăng tốc độ phát triển công nghệ mới, nhưng việc mở nguồn công trình như OpenCRISPR-1 là khá hiếm khi nói đến các phòng thí nghiệm sinh học và công ty dược phẩm.

Tuy nhiên, Profluent không mở nguồn nội dung kỹ thuật của bộ chỉnh sửa này.

Profluent cũng tiết lộ rằng OpenCRISPR-1 chỉ là một phần nhỏ của nền tảng của họ, có khả năng tạo ra nhiều hệ thống chỉnh sửa gen khác nhau. Tuy nhiên, mặc dù OpenCRISPR-1 chưa được đưa vào thử nghiệm lâm sàng, nó vẫn thu hút nhiều lo ngại ngoài hiệu quả ứng dụng.

Trong nghiên cứu này, Profluent đã giới thiệu mô hình phân tử đầu tiên trên thế giới được thiết kế hoàn toàn từ AI với khả năng chỉnh sửa gen chính xác. Bộ chỉnh sửa gen là hệ thống phức tạp, đòi hỏi sự tương tác không gian và thời gian phức tạp giữa protein đa cấu trúc, DNA và RNA. Việc thiết kế bộ chỉnh sửa gen có chức năng khác biệt bằng AI đại diện cho một bước nhảy vọt lớn trong lĩnh vực sinh học thiết kế thúc đẩy bởi AI.

Công nghệ của OpenCRISPR-1 được thúc đẩy bởi AI, bao gồm protein giống như Cas9 và RNA hướng dẫn, hoàn toàn được phát triển bằng mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) của Profluent. Mô hình này học từ chuỗi amino acid và nucleic acid, những hợp chất định nghĩa cơ chế vi sinh học mà các nhà khoa học sử dụng để chỉnh sửa gen. Nói cách khác, nó phân tích hành vi của các bộ chỉnh sửa gen CRISPR được trích xuất từ tự nhiên và học cách tạo ra bộ chỉnh sửa gen hoàn toàn mới.

“Những mô hình AI này học từ chuỗi, bất kể đó là ký tự, từ, mã máy tính hay chuỗi amino acid,” Ali Madani, Giám đốc điều hành của Profluent, cho biết.

Theo lời giới thiệu, mô hình ngôn ngữ protein thường được huấn luyện trước trên tập dữ liệu chuỗi protein tự nhiên đa dạng và rộng lớn, có thể tạo ra chuỗi protein phản ánh đặc điểm của protein tự nhiên. Tuy nhiên, cho ứng dụng cụ thể như tạo ra bộ chỉnh sửa gen mới, mô hình cần được dẫn hướng đến gia đình protein mục tiêu cụ thể.

Vì vậy, Profluent đã thực hiện khai thác dữ liệu chi tiết để xây dựng tập dữ liệu hệ thống CRISPR-Cas rộng nhất từ trước đến nay, được gọi là Bản đồ CRISPR-Cas. Để tạo ra protein CRISPR-Cas mới, họ đã huấn luyện một mô hình ngôn ngữ protein trên Bản đồ CRISPR-Cas.

Đồ thị: Các chuỗi được tạo ra đã mở rộng đáng kể đa dạng của gia đình protein liên quan đến CRISPR, được đo lường theo số lượng cụm protein, cho thấy tần suất tìm thấy mỗi gia đình protein trong các loại hệ thống CRISPR-Cas khác nhau.

Từ mô hình này, 4 triệu chuỗi đã được tạo ra và được loại bỏ các chuỗi trùng lặp bằng công nghệ sinh học thông tin. Sau khi xác định mỗi protein tạo ra thuộc về gia đình CRISPR-Cas nào, họ phát hiện rằng các mô hình tạo ra protein đã mở rộng đa dạng của tất cả các gia đình CRISPR-Cas tự nhiên đến 4.8 lần và có thể tạo ra thêm nhiều chuỗi nữa để mở rộng đa dạng này.

Xét đến việc SpCas9 được sử dụng rộng rãi và thành công trong lâm sàng, mô hình đã tạo ra protein giống như Cas9 có thể hoạt động với SpCas9, và đã chọn 48 chuỗi được tạo ra để thực hiện kiểm tra chức năng nghiêm ngặt trong tế bào người. Họ phát hiện ra rằng khi được ghép đôi với enzym deaminase, OpenCRISPR-1 và SpCas9 có hoạt động và đặc tính tương đương khi chỉnh sửa chính xác một cặp bazơ trong bộ gen đích.

Đồ thị: Đối với 4 trong số 5 enzym nucleaza được thử nghiệm, RNA hướng dẫn được tạo ra từ mô hình cải thiện hiệu quả chỉnh sửa.

Cuối cùng, để tối ưu hóa hoạt động của enzym nucleaza được tạo ra, Profluent cũng đã huấn luyện một mô hình để tạo ra RNA hướng dẫn tương thích với bất kỳ protein giống Cas9 nào được đưa ra. So với RNA hướng dẫn của SpCas9, những RNA hướng dẫn được tạo ra có thể cải thiện hoạt động của enzym nucleaza do 4 trong số 5 protein được thử nghiệm tạo ra.

“Ý định của chúng tôi với OpenCRISPR là hợp tác với các tổ chức nghiên cứu tiên phong và nhà phát triển dược để thúc đẩy nhanh chóng việc phát triển liệu pháp gen CRISPR một cách an toàn và hiệu quả,” Hilary Eaton, Giám đốc thương mại của Profluent, cho biết.

Hiện tại, công nghệ dựa trên CRISPR đã thay đổi cách các nhà khoa học nghiên cứu và đối phó với bệnh tật, và cung cấp phương pháp điều trị có thể thay đổi bệnh thiếu máu bẩm sinh và mù lòa do di truyền. Tuy nhiên, vẫn cần tăng tốc độ phát triển để chữa trị cho hàng ngàn bệnh khác chưa có phương pháp điều trị. Theo lời giới thiệu, OpenCRISPR-1 chính là được xây dựng dựa trên cơ chế sinh học dựa trên CRISPR.

Người chỉnh sửa gen dựa trên CRISPR, mặc dù mạnh mẽ, thường cho thấy sự cân nhắc chức năng đáng kể khi được chuyển đổi sang môi trường phi tự nhiên (như tế bào người). Người ta hy vọng có thể sản xuất ra những bộ chỉnh sửa gen linh hoạt và mạnh mẽ hơn so với những bộ chỉnh sửa gen tự nhiên đã tiến hóa qua hàng tỷ năm. Thiết kế của hệ thống AI có thể cung cấp giải pháp thay thế mạnh mẽ, có thể vượt qua sự ràng buộc tiến hóa để tạo ra những bộ chỉnh sửa gen có đặc điểm tốt nhất.

“Tôi mơ về một thế giới mà chúng ta có thể cung cấp CRISPR theo yêu cầu trong vài tuần,” Fyodor Urnov, nhà tiên phong chỉnh sửa gen và giám đốc khoa học tại Viện Công nghệ gen sáng tạo Berkeley của Đại học California, cho biết.

Thực tế, OpenCRISPR-1 là một minh chứng cho nỗ lực của toàn ngành nhằm xây dựng công nghệ AI có thể cải thiện chăm sóc sức khỏe. Ví dụ, các nhà khoa học tại Đại học Washington đang tận dụng các phương pháp AI đằng sau các trình tạo hình ảnh như ChatGPT và Midjourney để lắp ráp protein hoàn toàn mới và thúc đẩy việc phát triển vắc xin và thuốc mới.

“Trong tương lai xa, điều này có thể dẫn đến một kỷ nguyên mà chúng ta có thể tùy chỉnh thuốc và phương pháp điều trị cho cá nhân một cách nhanh chóng, thậm chí nhanh hơn cả hiện nay,” Urnov nhận xét, cho rằng các hệ thống AI tạo ra có tiềm năng to lớn, thường cải thiện nhanh chóng thông qua quá trình học từ ngày càng nhiều dữ liệu. Nếu công nghệ như Profluent tiếp tục cải tiến, cuối cùng nó có thể giúp các nhà khoa học chỉnh sửa gen một cách chính xác hơn.

Tuy nhiên, hiện tại Profluent vẫn chưa thực hiện thử nghiệm lâm sàng đối với bộ chỉnh sửa gen OpenCRISPR-1, vì vậy chưa rõ liệu nó có đạt hoặc vượt qua hiệu suất của CRISPR hay không.

Tuy nhiên, có thể xác định rằng trong ngắn hạn, sự tiến bộ này ít có khả năng ảnh hưởng đến lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Urnov cho biết, thực tế các nhà khoa học không thiếu các bộ chỉnh sửa gen tự nhiên để đối phó với bệnh tật, mà chi phí để đưa những bộ chỉnh sửa gen này qua nghiên cứu tiền lâm sàng mới là vấn đề cản trở, bao gồm an toàn, sản xuất và kiểm tra quy định, sau đó mới có thể sử dụng để điều trị bệnh nhân.

Ngoài ra, những bộ chỉnh sửa gen tổng hợp như vậy còn gây ra những lo ngại khác. Từ lâu, các nhà khoa học đã cảnh báo không nên sử dụng CRISPR cho việc chỉnh sửa cơ thể con người và điều trị, vì công nghệ này tương đối mới và có thể tạo ra tác dụng phụ không mong muốn như ung thư, cũng như một số mục đích không đạo đức như chỉnh sửa gen cho phôi thai.

Fraser nhận định, “Một người không đạo đức, không quan tâm liệu bộ chỉnh sửa gen họ sử dụng có được tạo ra bởi AI hay không, họ sẽ tiếp tục sử dụng công cụ hiện có.”

Tóm tắt từ khóa

• Trí tuệ nhân tạo
• Bộ chỉnh sửa gen
• CRISPR-Cas
• Profluent
• OpenCRISPR-1