Представляємо SynthID Bio

Підтвердження концепції маркування білків, згенерованих ШІ, із збереженням біологічної функції.

Сьогодні ми представляємо SynthID Bio — технологію маркування для синтетичної біології. SynthID Bio вбудовує непомітний підпис безпосередньо в біологічний код, гарантуючи, що водяний знак можна перевірити не лише на цифровій моделі, а й на синтезованому фізичному білку — водночас зберігаючи його біологічну функцію під час лабораторних випробувань.

Генеративний ШІ допомагає науковцям розв’язувати критично важливі біологічні проблеми — від прогнозування структури білків (AlphaFold) до проєктування цілком нових білків (AlphaProteo і ProteinMPNN), а нещодавно — розроблення нових бактеріофагів — вірусів, які інфікують бактерії. Водночас ці інструменти створюють нові виклики: нові проєкти, створені ШІ, можуть обходити традиційний скринінг синтезу ДНК, а неправильно марковані синтетичні 3D-структури ризикують забруднити загальнодоступні бази даних і ввести в оману подальші дослідження.

Як працює SynthID Bio

SynthID Bio — це сімейство методів маркування, розроблених спеціально для синтетичної біології з метою посилення біобезпеки та наукової доброчесності.

Система адаптує свій підхід залежно від типу даних: непомітно спрямовує вибір амінокислот для послідовностей і коригує атомні координати прогнозованих 3D-структур, створюючи надійний сигнал для виявлення.

Під час експериментів ці коригування не порушили біологічну функцію білка, що має вирішальне значення для ефективного лікування захворювань і розвитку наукових досліджень.

Ми перевірили наш підхід до маркування білків-зв’язувачів, тобто молекул, створених для вибіркового приєднання до інших білків, використавши наш метод проєктування зв’язувачів AlphaProteo разом із версією ProteinMPNN із підтримкою SynthID Bio — широко застосовуваного методу генерації білкових послідовностей.

Під час лабораторних випробувань із трьома цільовими білками (VEGF-A, рецептор-зв’язувальний домен шипоподібного білка SARS-CoV-2 і PD-L1) наші водомарковані проєкти відповідали немаркованим версіям за частотою влучань, спорідненістю зв’язування та різноманітністю природних послідовностей, що дало змогу успішно створити перші в історії водомарковані й біологічно функціональні білки-зв’язувачі.

Для згортання білків SynthID Bio донастроює невелику частину дифузійної мережі AlphaFold 3, вбудовуючи здатність до маркування безпосередньо у ваги моделі. Це гарантує, що прогнозовані 3D-координати за своєю суттю містять виявний підпис незалежно від того, хто запускає модель. SynthID Bio зберігає точність прогнозів AlphaFold 3, водночас забезпечуючи майже ідеальну виявлюваність, зберігаючи розподіли ключових структурних характеристик і протистоячи цифровому шуму або незначним змінам координат.

Посилення біобезпеки та цілісності інформації

Біобезпека ґрунтується на багаторівневому захисті — уявіть це як модель захисту «швейцарський сир», де кілька незалежних заходів безпеки працюють разом, прикриваючи слабкі місця одне одного. Такі запобіжники, як заходи на рівні моделі та перевірка клієнтів, є критично важливими рівнями захисту, кожен із яких може мати прогалини. У межах нашого ширшого бачення біостійкості підхід SynthID Bio до маркування слугує важливим, практичним рівнем перевірки, вбудованим безпосередньо в біологічний проєкт.

«SynthID Bio є важливою частиною головоломки відстеження походження біологічних проєктів, — сказала Сара Картер, експертка з політики біобезпеки та директорка Science Policy Consulting, яка рецензувала цю роботу. — Пов’язуючи проєкти з розробником моделі, ці водяні знаки дають розробникам змогу очолити роботу з безпеки, а постачальникам послуг синтезу — спростити перевірку клієнтів, які використовували ці моделі».

Цей рівень особливо важливий для скринінгу синтезу ДНК, який перебуває на передовій біобезпеки. Перетворення цифрових білкових проєктів на фізичні молекули потребує замовлення в постачальників послуг синтезу ДНК, які перевіряють запити за базами даних відомих загроз. Наприклад, раніше незнайому послідовність можна було безпечно вважати невідомим природним організмом. Але оскільки ШІ може створювати цілком нові послідовності, що майже не схожі на відомі загрози, фахівці зі скринінгу більше не можуть робити такого припущення. Перевірка того, що незнайоме замовлення не є спроєктованою загрозою, потребує вичерпної ручної перевірки, яка може затримати життєво важливі дослідження. Тут SynthID Bio може надати автоматизований сигнал перевірки, підтверджуючи, що замовлення походить від надійної моделі з вбудованими запобіжниками.

«ШІ розширює можливості науковців у проєктуванні, а компанії з синтезу ДНК відіграють важливу роль у відповідальному масштабуванні цих інновацій, — сказав Джеймс Діґґанс, віцепрезидент із питань політики та біобезпеки в Twist Bioscience, який надав ранні відгуки щодо статті. — Для Twist маркування є перспективним новим доповненням до інструментарію біобезпеки, яке може посилити скринінг, зосередити ресурси на послідовностях, що потребують ретельнішої перевірки, і зробити біобезпеку ефективнішою в міру розвитку біології, спроєктованої ШІ».

Так само SynthID Bio може допомогти зберегти цілісність таких баз даних, як Protein Data Bank, UniProt і GenBank. Ці бази даних, багато з яких відкриті для публічних подань, відіграють життєво важливу роль у розвитку науки, але неправильно марковані записи можуть мати непропорційно великий негативний вплив на ухвалення рішень у сфері біобезпеки — проблема, яка може лише посилитися з додаванням біологічних даних, згенерованих ШІ. У межах процесу подання SynthID Bio може допомогти гарантувати, що синтетичні записи належним чином марковані або позначені для подальшої перевірки.

Погляд у майбутнє

Хоча жодне окреме втручання у сфері біобезпеки не є універсальним рішенням, SynthID переносить наш перевірений інструмент маркування SynthID у синтетичну біологію. Це важливий перший крок до надійного виявлення та відстеження біологічних послідовностей і структур, згенерованих ШІ.

У подальшій роботі ключові виклики включають підвищення стійкості водяного знака до навмисного втручання. SynthID Bio також можна поєднати з підходами на основі метаданих походження — подібно до C2PA для цифрових медіа — або з центральними сховищами біологічних даних, згенерованих ШІ, щоб краще виявляти й відстежувати білки, згенеровані ШІ.

Щоб відповідати зростаючим можливостям передових технологій ШІ, ми також досліджуємо застосування маркування до складніших біологічних об’єктів. У межах поточної роботи з лабораторією Хі Стенфордського університету та Arc Institute ми інтегрували SynthID Bio в Evo 2 — передову геномну модель — щоб водомаркувати геном бактеріофага, спроєктованого Evo 2. Ранні лабораторні випробування на культурах бактерій підтвердили, що ці водомарковані бактеріофаги є функціональними. Ми вважаємо, що ця робота має потенціал для подолання деяких ризиків для біобезпеки, пов’язаних із проєктуванням геномів, і незабаром поділимося докладнішою інформацією в технічному рукописі.

Реалізація всіх переваг цієї роботи для біобезпеки потребуватиме співпраці спільноти та подальших досліджень. У межах нашого зобов’язання щодо відповідальних інновацій ми публікуємо статтю про методи, відкриваємо код і дані in vitro, а також передаємо ваги дослідницькій спільноті, щоб ми могли розвивати цю роботу. Відкрито співпрацюючи з партнерами у сферах біобезпеки, синтезу генів і політики, ми можемо гарантувати, що безпека та відповідальність не відставатимуть від відкриттів, зумовлених ШІ.

Щоб зв’язатися з нами щодо партнерства в цій важливій сфері, напишіть нам на адресу synthidbio@google.com із пропозицією загального характеру. Будь ласка, не розголошуйте конфіденційну або службову інформацію.

Подяки

Цей проєкт започаткував Пушміт Колі. Дослідження й технічну розробку очолили Александер І. Коуен-Ріверс і Девід Штуц, а радником був Пушміт Колі. Вагомий внесок в інженерну та дослідницьку роботу зробили Гільєрмо Ортіс-Хіменес, Джеремі Реткліфф, Вінісіус Замбальді, Ліндсі Вілмор, Джош Абрамсон, Гаршніра Патані, Крістіна Куріді, Флоріан Штімберг, Мел Вечерік, Алекс Чу, Сукхдіп Сінґх, Суманф Датхатхрі, Елісео Папа, Валентен Де Бортолі, Арно Дусе, Цзюе Ван і Свен Ґовал. Ми дякуємо Adaptyv Bio за допомогу з валідацією in vitro.

Розширення цієї роботи на маркування ДНК бактеріофагів є спільним проєктом Google DeepMind і лабораторії Хі при Стенфордському університеті та Arc Institute. Вагомий внесок зробили Джеремі Реткліфф, Алекс Петров, Александер І. Коуен-Ріверс, Девід Штуц, Еліса Л. Х. Вонг, Віктор Мартін Паласіос, Франческа П'єтра, Альфред Пікконі, Трістан Олівер Кван, Тор Латтімор, Суманф Датхатхрі та Пушміт Колі з Google DeepMind, а також Браян Хі, Семюел Кінг і Адіті Мерчант з Arc Institute та Стенфорда.

Ми також дякуємо Руді Бунелю, Анні Купані, Робу Ферґюсу, Томасу Фреріксу, Сарі Ґалебікеасабі, Джону Джамперу, Джейкобу Келлі, Девіду Ла, Віктору Мартіну, Себастьяну Новозіну, Стіґу Петерсену, Алексу Петрову, Учечі Окереке, Сильвестру-Альвізе Ребуффі, Розалії Шнайдер, Арміну Сенонеру, Річарду Шуаю, Ашоку Тіллайсундаріаму, Елісі Л. Х. Вонг, Закарі Ву та Авґустіну Жидеку за їхній внесок у наукову статтю, а Жульєну Бержерону — за внесок у 3D-візуалізацію. Насамкінець ми дякуємо Демісу Хассабісу за його підтримку й заохочення цього проєкту.