Представяме SynthID Bio

Доказателство за концепцията за воден знак на генерирани от ИИ протеини при запазване на биологичната им функция.

Днес представяме SynthID Bio, за да пренесем технологията за водни знаци в синтетичната биология. SynthID Bio вгражда невидим за окото подпис директно в биологичния код, като гарантира, че водният знак може да бъде проверен не само в цифров модел, но и в самия синтезиран физически протеин – при това с запазване на биологичната му функция при лабораторни тестове.

Генеративният ИИ помага на учените да се справят с критични биологични предизвикателства – от предсказването на структурата на протеини (AlphaFold) до проектирането на изцяло нови протеини (AlphaProteo и ProteinMPNN), а напоследък и от разработването на нови бактериофаги – вируси, които заразяват бактерии. Тези инструменти обаче създават и нови предизвикателства: новите дизайни на ИИ могат да заобиколят традиционния скрининг при синтеза на ДНК, докато неправилно обозначените синтетични 3D структури могат да замърсят публичните бази данни и да подведат последващите изследвания.

Как работи SynthID Bio

SynthID Bio е семейство от методи за водни знаци, разработени специално за синтетичната биология с цел укрепване на биосигурността и научната достоверност.

Той адаптира подхода си в зависимост от типа данни, като дискретно насочва избора на аминокиселини за последователностите и коригира атомните координати за предсказаните 3D структури, създавайки надежден сигнал за откриване.

При експериментите тези корекции не нарушиха биологичната функция на протеина, което е от съществено значение за ефективното лечение на заболявания и развитието на научните изследвания.

Проверихме нашия подход за поставяне на водни знаци върху протеинови свързващи агенти, т.е. молекули, създадени да се прикрепят селективно към други протеини, като използвахме метода за проектиране на свързващи агенти AlphaProteo заедно с версия на ProteinMPNN с активиран SynthID Bio – широко използван метод за генериране на протеинови последователности.

При лабораторни тестове с три целеви протеина (VEGF-A, RBD на шиповия протеин на SARS-CoV-2 и PD-L1) нашите дизайни с воден знак показаха същата честота на попаденията, свързващ афинитет и естествено разнообразие на последователностите като версиите без воден знак, с което успешно създадохме първите в историята протеинови свързващи агенти с воден знак и запазена биологична функция.

За нагъването на протеините SynthID Bio донастройва малка част от дифузионната мрежа на AlphaFold 3, като вгражда способността за поставяне на воден знак директно в теглата на модела. Това гарантира, че предсказаните 3D координати по своята същност носят откриваем подпис, независимо кой изпълнява модела. SynthID Bio запазва точността на предсказанията на AlphaFold 3, като същевременно осигурява почти перфектна откриваемост, запазва разпределенията на ключовите структурни характеристики и устоява на цифров шум или малки промени в координатите.

Укрепване на биосигурността и информационната достоверност

Биосигурността разчита на многостепенна защита – представете си я като модел на защита „швейцарско сирене“, при който множество независими мерки за безопасност работят едновременно, за да компенсират взаимно слабите си места. Защитни механизми като смекчаването на рисковете на ниво модел и проверката на клиентите представляват критични слоеве, всеки от които може да има пропуски. Като част от по-широката ни визия за биоустойчивост подходът на SynthID Bio за поставяне на водни знаци служи като важен, осезаем слой за проверка, вграден в самия биологичен дизайн.

„SynthID Bio е важна част от решението за проследяване на произхода на биологичните дизайни“, каза Сара Картър, експерт по политики в областта на биосигурността и директор в Science Policy Consulting, която прегледа работата. „Като свързват дизайните с разработчика на модела, тези водни знаци дават възможност на разработчиците да поемат водеща роля в осигуряването на безопасност и позволяват на доставчиците на услуги за синтез да опростят проверката на клиентите, използвали тези модели.“

Този слой е особено важен за скрининга при синтеза на ДНК, който е на предната линия на биосигурността. Превръщането на цифрови протеинови дизайни във физически молекули изисква подаване на поръчка към доставчици на услуги за синтез на ДНК, които проверяват заявките спрямо бази данни с известни заплахи. Например в миналото непозната последователност е можела безопасно да бъде приета за неоткрит естествен организъм. Но тъй като ИИ може да създава изцяло нови последователности, които почти не приличат на известни опасности, проверяващите вече не могат да правят това предположение. Потвърждаването, че непозната поръчка не представлява конструирана заплаха, изисква изчерпателни ръчни проверки, които могат да забавят жизненоважни изследвания. Тук SynthID Bio може да предостави автоматизиран сигнал за проверка, доказващ, че поръчката произхожда от надежден модел с вградени защитни механизми.

„ИИ разширява възможностите на учените за проектиране, а компаниите за синтез на ДНК имат важна роля за отговорното мащабиране на тези иновации“, каза Джеймс Диганс, вицепрезидент по политиките и биосигурността в Twist Bioscience, който даде ранна обратна връзка за статията. „За Twist поставянето на водни знаци е обещаващо ново допълнение към инструментариума за биосигурност, което може да укрепи скрининга, да насочи ресурсите към последователности, заслужаващи по-внимателен преглед, и да направи биосигурността по-ефективна, докато биологията, проектирана от ИИ, продължава да се развива.“

По подобен начин SynthID Bio може да помогне за запазване на достоверността на бази данни като Protein Data Bank, UniProt и GenBank. Тези бази данни, много от които приемат публични предложения, играят жизненоважна роля за научния напредък – но неправилно обозначените записи могат да окажат непропорционално голямо отрицателно въздействие върху вземането на решения в областта на биосигурността, предизвикателство, което може да нарасне с добавянето на генерирани от ИИ биологични данни. Като част от процеса на подаване SynthID Bio може да помогне да се гарантира, че синтетичните записи са правилно обозначени или маркирани за допълнителен преглед.

Поглед към бъдещето

Макар че нито една отделна интервенция в областта на биосигурността не е универсално решение, SynthID Bio пренася SynthID, нашия изпитан и доказан инструмент за поставяне на водни знаци, в синтетичната биология. Това е важна първа стъпка към надеждното идентифициране и проследяване на генерирани от ИИ биологични последователности и структури.

В бъдеще ключовите предизвикателства включват повишаване на устойчивостта на водния знак срещу умишлена подправка. SynthID Bio може да се комбинира и с подходи, използващи метаданни за произхода – подобно на C2PA за цифрови медии – или с централни хранилища за генерирани от ИИ биологични данни, за да се идентифицират и проследяват по-добре генерираните от ИИ протеини.

За да отговорим на нарастващите възможности на водещите технологии за ИИ, проучваме и как да приложим поставянето на водни знаци към по-сложни биологични обекти. В рамките на текуща работа с лабораторията на Хие в Станфордския университет и Arc Institute интегрирахме SynthID Bio в Evo 2, усъвършенстван геномен модел, за да поставим воден знак върху генома на бактериофаг, проектиран от Evo 2. Ранните лабораторни тестове в бактериални култури потвърдиха, че тези бактериофаги с воден знак са функционални. Вярваме, че тази работа има потенциала да адресира някои от рисковете за биосигурността, свързани с проектирането на геноми, и скоро ще споделим повече подробности в технически ръкопис.

Реализирането на пълните ползи от тази работа за биосигурността ще изисква сътрудничество с общността и допълнителни изследвания. Като част от ангажимента ни към отговорните иновации публикуваме статията за нашия метод, предоставяме с отворен код кода и in vitro данните и предоставяме теглата на изследователската общност, за да можем да надграждаме тази работа. Като работим открито с партньори в областта на биосигурността, генния синтез и политиките, можем да гарантираме, че безопасността и отговорността вървят в крак с откритията, движени от ИИ.

За да се свържете с нас относно партньорство по тази важна тема, моля, пишете ни на synthidbio@google.com с предложение на високо ниво. Моля, не разкривайте поверителна или защитена информация.

Благодарности

Този проект беше иницииран от Пушмит Коли. Изследователската и техническата разработка бяха ръководени от Александър И. Коуен-Ривърс и Дейвид Щуц, а научен ръководител беше Пушмит Коли. Значителен принос към инженерната и изследователската работа имаха Гийермо Ортис-Хименес, Джереми Ратклиф, Винисиус Замбалди, Линдзи Уилмор, Джош Абрамсън, Харшнира Патани, Кристина Куриди, Флориан Щимберг, Мел Вечерик, Алекс Чу, Сукдип Сингх, Сумант Дататри, Елизео Папа, Валентин Де Бортоли, Арно Дусе, Джу Уанг и Свен Говал. Благодарим на Adaptyv Bio за помощта с in vitro валидирането.

Разширяването на тази работа към поставяне на воден знак върху ДНК на бактериофаги е сътрудничество между Google DeepMind и лабораторията на Хие в Станфорд и Arc Institute, със значителен принос от Джереми Ратклиф, Алекс Петров, Александър И. Коуен-Ривърс, Дейвид Щуц, Елиса Л. Х. Уонг, Виктор Мартин Паласиос, Франческа Пиетра, Алфред Пичони, Тристан Оливър Куан, Тор Латимор, Сумант Дататри и Пушмит Коли от Google DeepMind, както и Брайън Хие, Самюъл Кинг и Адити Мърчант от Arc Institute и Станфорд.

Изказваме допълнителни благодарности на Руди Бюнел, Ана Купани, Роб Фъргюс, Томас Фрерикс, Сахра Галебикесаби, Джон Джъмпър, Джейкъб Кели, Дейвид Ла, Виктор Мартин, Себастиан Новозин, Стиг Петерсен, Алекс Петров, Учечи Окереке, Силвестр-Алвиз Ребюфи, Розалия Шнайдер, Армин Сенонер, Ричард Шуай, Ашок Тилайсундарам, Елиса Л. Х. Уонг, Закари Ву и Огюстен Жидек за приноса им към научната статия, както и на Жулиен Бержеон за приноса към 3D визуализацията. Накрая благодарим на Демис Хасабис за насърчението и подкрепата му за този проект.