AI & computing › AI-gestuurde wetenschappelijke ontdekkingen
Nobelprijswinnaar Baker ontwerpt met AI eiwitten die de natuur nooit maakte
Scheikundig Nobelprijswinnaar David Baker gebruikt kunstmatige intelligentie om eiwitten te ontwerpen die in de natuur niet voorkomen, maar wel scheikundig mogelijk zijn. Het project AI BioDesign moet de basis leggen voor nieuwe medicijnen, plasticafbrekende enzymen en andere biotechnologie van de toekomst.
Wetenschappers combineren kunstmatige intelligentie met laboratoriumexperimenten om eiwitten te ontwerpen die in de natuur niet bestaan, maar wel scheikundig mogelijk zijn. Het initiatief heet AI BioDesign en wordt geleid door het Allen Institute, de University of Washington en het Fred Hutchinson Cancer Center in Seattle. Een van de kopstukken is David Baker, die in 2024 de Nobelprijs voor Scheikunde kreeg voor zijn werk aan de novo eiwitontwerp.
Miljarden jaren evolutie hebben maar een beperkt deel van alle mogelijke eiwitten opgeleverd. Baker en collega's willen nu het onontgonnen gebied verkennen: moleculen die de natuur nooit heeft gemaakt, maar die wel kunnen bestaan. Met AI-modellen berekenen ze eerst welke vormen en functies mogelijk zijn, voordat er in het lab daadwerkelijk iets wordt gemaakt. Dat proces bouwt voort op doorbraken in eiwitstructuurvoorspelling, waarmee computers de vorm van een eiwit kunnen berekenen op basis van zijn aminozuurvolgorde.
Van drugsontwerp tot plastic-afbraak
De ambities zijn groot. Het team noemt medicijnen tegen kanker en neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer als mogelijke toepassingen. Ook denken de onderzoekers aan enzymen die plastic in de oceaan afbreken, en aan moleculaire machines die vervuilende stoffen uit lucht, water en bodem halen. Baker windt er in een interview met WIRED en Español geen doekjes om: hij vergelijkt het potentieel met de industrialisatie, elektrificatie en de opkomst van internet.
Praktisch werkt het zo: onderzoekers gebruiken machine learning om te voorspellen welke aminozuurvolgorde een gewenste vorm en functie oplevert. Vervolgens synthetiseren ze die volgorde als DNA via DNA-synthese, laten ze cellen het bijbehorende eiwit produceren en testen ze in het lab of het werkt zoals voorspeld. Baker benadrukt dat deze computersimulaties risico's al vooraf zichtbaar maken, nog voordat een molecuul daadwerkelijk wordt gemaakt. Dit soort ontwerpwerk valt onder de bredere noemer synthetische biologie, waarbij wetenschappers leven op moleculair niveau naar hun hand zetten.
Risico's en toezicht
Het ontwerpen van volledig nieuwe biologie roept ook vragen op. Baker erkent dat er risico's zijn: onbedoelde interacties met levende organismen, onvoorziene milieueffecten of misbruik. Hij pleit voor toezicht dat meegroeit met de technologie, onder meer door alle geproduceerde synthetische DNA-sequenties te registreren inclusief de maker ervan. Dat moet misbruik lastiger maken en sporen achterlaten bij kwaadwillend gebruik.
Baker wijst er ook op dat wetenschappers een molecuul soms laten werken voordat ze volledig begrijpen waarom het werkt. Machine learning is daar goed in: patronen herkennen zonder de onderliggende mechanismen meteen te doorgronden. Dieper begrip blijft volgens hem wel een belangrijk doel, ook al kan sterk experimenteel bewijs al genoeg zijn om een project voort te zetten. Volgens Baker ontbreekt het nu vooral aan data en kennis over de regels waarmee biologische systemen werken, en dat gat probeert AI BioDesign te dichten.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als AI betrouwbaar nieuwe eiwitten kan ontwerpen die de natuur nooit heeft voortgebracht, opent dat de deur naar snellere ontwikkeling van medicijnen, milieutechnologie en biologische materialen. Tegelijk vraagt deze doorbraak om nieuwe vormen van toezicht, omdat dezelfde technieken ook risico's met zich meebrengen als ze verkeerd worden gebruikt.
- De novo eiwitontwerp
- Het volledig vanaf nul ontwerpen van een eiwit dat niet in de natuur voorkomt, met een vooraf bepaalde vorm en functie.
- Eiwitstructuurvoorspelling
- Een computertechniek die berekent welke driedimensionale vorm een eiwit aanneemt op basis van zijn aminozuurvolgorde.
- DNA-synthese
- Het kunstmatig opbouwen van een DNA-streng met een gewenste genetische code, bijvoorbeeld om een ontworpen eiwit te laten aanmaken door cellen.
- Synthetische biologie
- Een vakgebied waarin wetenschappers biologische systemen en moleculen ontwerpen en bouwen, vaak met technieken uit de techniek en informatica.
- Enzym
- Een eiwit dat als katalysator werkt en chemische reacties in of buiten een cel versnelt, zoals enzymen die plastic afbreken.
- Machine learning
- Een vorm van kunstmatige intelligentie waarbij computers patronen leren herkennen in grote hoeveelheden data, zonder dat elke regel vooraf is geprogrammeerd.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
