کشف سیستم پنهان مشابه CRISPR در DNA ویروس‌ها توسط هوش مصنوعی Claude

هوش مصنوعی Claude یک جایگاه ژنتیکی مشابه CRISPR در DNA فاژها شناسایی کرد

شرکت Anthropic اعلام کرده است که مدل Claude یک جایگاه ژنتیکی ناشناخته را در باکتری‌وفاژها (ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند) کشف کرده است. بر اساس بیانیه Anthropic، این جایگاه، ژن مربوط به یک آنزیم احتمالی را با حدود ۲۹۰۰ جفت‌باز از توالی‌های تکرارشونده DNA جفت می‌کند. این شرکت، دستاورد مذکور را به عنوان اولین نتیجه تحقیقاتی عمومی از آزمایشگاه بیولوژی مولکولی اختصاصی خود معرفی کرده است.

این آرایش ژنتیکی شباهت زیادی به جایگاه‌های مرتبط با CRISPR دارد؛ جایی که توالی‌های تکرارشونده و آنزیم‌های مجاور برای شناسایی توالی‌های ژنتیکی با یکدیگر همکاری می‌کنند. با این حال، عملکرد دقیق آن هنوز ناشناخته است. شرکت Anthropic تاکنون توالی پایه، آزمایش‌های بیوشیمیایی یا تحلیل‌های همتاداوری‌شده (Peer-reviewed) که برای تایید توانایی این آنزیم در برش، کپی یا ادغام DNA ضروری هستند را منتشر نکرده است.

از جستجو در پایگاه‌داده تا آزمایشگاه

طبق گزارش منتشرشده در ۱۸ سپتامبر، Anthropic یک آزمایشگاه تَر (Wet lab) در منطقه خلیج سان‌فرانسیسکو راه‌اندازی کرده است. این مرکز، آزمایش‌های داخلی را با پروژه‌های انجام‌شده توسط شرکای تحقیقاتی خارجی ترکیب می‌کند.

1. مدل Claude پایگاه‌های داده ژنومی و مقالات علمی را برای یافتن الگوهای بیولوژیکی غیرمعمول جستجو می‌کند.
2. پژوهشگران انسانی نامزدهای پیشنهادی را بررسی و رتبه‌بندی می‌کنند.
3. دانشمندان گزینه‌های منتخب را از طریق توالی‌یابی، مطالعات بیان ژن و آزمایش‌های بیوشیمیایی مورد بررسی قرار می‌دهند.
4. نتایج آزمایشگاهی می‌تواند چرخه دیگری از تحلیل مدل و انتخاب گزینه‌ها را هدایت کند.

برای این پروژه، Anthropic ادعا می‌کند که Claude یک دستور (Prompt) کلی و بدون هدف از پیش‌تعیین‌شده دریافت کرده است. این مدل داده‌های ژنومی را جستجو کرده و یک توالی تکرارشونده مرتبط با آنزیم را که پیش‌تر ناشناخته مانده بود، برجسته کرده است. در این بیانیه هیچ اشاره‌ای به پایگاه‌های داده، نسخه مدل، نوع پرامپت، روش رتبه‌بندی یا تعداد گزینه‌های ردشده نشده است.

چرا توالی‌های تکرارشونده مورد توجه قرار گرفتند؟

توالی‌های CRISPR برای اولین بار به عنوان بخش‌های تکرارشونده DNA در ژنوم میکروب‌ها مشاهده شدند. محققان بعدها دریافتند که فواصل بین این تکرارها می‌تواند حاوی قطعاتی از مواد ژنتیکی ناشی از عفونت‌های گذشته باشد. آنزیم‌های مجاور مانند Cas از این اطلاعات ذخیره‌شده برای شناسایی و غیرفعال کردن توالی‌های مشابه استفاده می‌کنند و نوعی ایمنی تطبیقی به باکتری‌ها و آرکی‌ها می‌بخشند.

شرکت Anthropic می‌گوید تنها تعداد معدودی از سیستم‌های شناخته‌شده، یک آرایه تکرارشونده مشابه را با یک آنزیم مجاور ترکیب می‌کنند و این سیستم‌ها DNA را از طریق برش، کپی یا ادغام دستکاری می‌کنند. این معماری مشترک، یک فرضیه قابل آزمایش درباره جایگاه ژنتیکی جدید ارائه می‌دهد؛ اما هنوز فعالیت آنزیم یا این موضوع که آرایه تکرارشونده آن را به سمت یک توالی مشخص هدایت می‌کند، اثبات نشده است.

ساخت یک ابزار ویرایش ژن برنامه‌پذیر به چندین نتیجه آزمایشگاهی نیاز دارد:

• ژن پیش‌بینی‌شده باید یک پروتئین پایدار و فعال تولید کند.
• پروتئین باید تحت شرایط کنترل‌شده به DNA متصل شده یا آن را تغییر دهد.
• توالی تکرارشونده، یا RNA مشتق‌شده از آن، باید فعالیت توالی‌ویژه را هدایت کند.
• پژوهشگران باید قوانین هدف‌گیری، میزان کارایی و اثرات خارج از هدف را مشخص کنند.
• این سیستم باید به طور قابل اعتمادی در داخل سلول‌ها عمل کند.

توسعه زیرساخت‌های تحقیقاتی توسط Anthropic

• Claude Science: کاربران نسخه بتا از مدل Claude در توالی‌یابی RNA تک‌سلولی، طراحی غربالگری CRISPR، مطالعات ساختار پروتئین و شیمی‌انفورماتیک استفاده کرده‌اند.
• Model Hardware Standard: این رابط که در ۲۷ آگوست به عنوان پیش‌نمایش تحقیقاتی معرفی شد، به ایجنت‌های هوش مصنوعی اجازه می‌دهد تا تحت کنترل‌های مشخص با تجهیزات آزمایشگاهی ارتباط برقرار کنند.
• Life Sciences Verification Program: پژوهشگران تاییدشده حوزه زیست‌شناسی می‌توانند برای دسترسی به توانمندترین مدل‌های Anthropic درخواست دهند.

علاوه بر این، Anthropic نتایجی در زمینه طراحی پروتئین نیز گزارش کرده است. ارزیاب‌های خارجی از جمله Adaptyv Bio و Twist Bioscience پروتئین‌های پیشنهادی این شرکت را سنتز و آزمایش کردند و حداقل یک اتصال‌دهنده برای ۱۴ هدف از مجموع ۱۵ هدف یافتند. با این حال، تمام ۹۰ طراحی برای یک هدف دشوار با شکست مواجه شدند. شرکت Anthropic عملکرد کلی خود را با نرخ موفقیت دورقمی پایین که معمولاً برای طراحی اتصال‌دهنده‌های جدید (De novo) گزارش می‌شود مقایسه کرده است؛ هرچند یک مقایسه معنادار نیازمند مخرج مشترک، شرایط آزمایشگاهی یکسان و معیارهای موفقیت مشابه است.

آزمایشگاهی با محوریت کارهای پلتفرمی

به گفته Anthropic، این آزمایشگاه تَر در درجه اول به مطالعه زیست‌شناسی بنیادی می‌پردازد. این شرکت همچنین مدل‌هایی را در اختیار گروه‌های داروسازی قرار می‌دهد و از همکاری مشترک در زمینه کشف دارو با Novo Nordisk خبر داده است. این موضوع به Anthropic دلیلی تجاری برای توسعه زیرساخت‌های تحقیقاتی عمومی می‌دهد، بدون اینکه به دنبال رقابت در دارایی‌های درمانی مشابه با مشتریان خود باشد.

داریو آمودی (Dario Amodei)، مدیرعامل این شرکت، معتقد است که هوش مصنوعی می‌تواند بخش‌هایی از تحقیقات بیماری‌ها را از چندین دهه به چند سال کاهش دهد. او این دیدگاه را تا حدودی به درگذشت پدرش، پیش از در دسترس قرار گرفتن درمان مناسب، مرتبط دانسته است. شرکت Anthropic علوم زیستی را به عنوان یکی از بزرگترین حوزه‌های سرمایه‌گذاری خود از نظر نیروی انسانی و منابع توصیف می‌کند، هرچند آمار دقیقی در این باره منتشر نکرده است.

استنباط تیم‌های تحقیقاتی از این دستاورد

1. مدل‌های عمومی می‌توانند گزینه‌های تخصصی تولید کنند. این مورد نشان می‌دهد که یک مدل با آموزش گسترده می‌تواند با دریافت پرامپت‌های محدود و غیرتخصصی، در کاوش ژنوم مشارکت داشته باشد.
2. عملکرد مقایسه‌ای هنوز نامشخص است. شرکت Anthropic هیچ بنچمارکی در مقایسه با ابزارهای تخصصی کاوش ژنوم ارائه نکرده است، بنابراین این نتیجه نمی‌تواند برتری در بازیابی، دقت یا تشخیص نوآوری را ثابت کند.
3. تکرارپذیری نیازمند شفافیت بیشتر است. تیم‌های مستقل برای تایید این نتایج به اطلاعاتی مانند توالی، نسخه مدل، پرامپت، پایگاه‌های داده مرجع، تاریخ جستجو، قوانین فیلترینگ، رتبه‌بندی گزینه‌ها و نتایج منفی نیاز دارند.
4. اعتبارسنجی فیزیکی سرعت کار را کنترل می‌کند. به گفته Anthropic، تایید آزمایشگاهی هر گزینه ممکن است هفته‌ها به طول انجامد، که این امر ظرفیت آزمایشگاهی را به یک محدودیت اصلی تبدیل می‌کند.
5. محصولات از یک استراتژی پلتفرمی پشتیبانی می‌کنند. دسترسی به مدل، تایید پژوهشگران و رابط‌های تجهیزات، مدل Claude را به عنوان یک زیرساخت برای تیم‌های علمی خارجی تثبیت می‌کند.

شواهد گمشده و چالش‌های پیش‌رو

شرکت Anthropic هنوز مقاله همتاداوری‌شده، توالی کاندیدا یا مشخصات بیوشیمیایی آن را منتشر نکرده است. شباهت ساختاری به CRISPR تنها یک سرنخ برای آزمایش‌ها فراهم می‌کند، در حالی که این جایگاه ژنتیکی ممکن است عملکرد متفاوتی داشته باشد. ژن‌های مرتبط با توالی‌های تکرارشونده در فاژها می‌توانند در فرآیندهایی نظیر همانندسازی، نوترکیبی، دستکاری میزبان یا فعالیت ضد CRISPR که دفاع باکتریایی را مسدود می‌کند، نقش داشته باشند.

علاوه بر این، یک نمونه کاندیدا شواهد کافی برای ارزیابی جریان‌کارِ گسترده‌تر این اکتشاف را فراهم نمی‌کند. سنجش ارزش واقعی آن نیازمند مطالعات آینده‌نگرانه‌ای است که معیارهای جستجو را ثبت کنند، هر کاندیدای پیشنهادی را ردیابی کرده، عملکرد Claude را با ابزارهای جاافتاده مقایسه کنند و تمامی اعتبارسنجی‌های موفق و ناموفق را منتشر سازند.

نتیجه‌گیری قابل دفاع در اینجا بسیار محدود است: مدل Claude به Anthropic کمک کرده تا یک جایگاه ژنتیکی غیرمعمول در فاژ را برای مطالعه آزمایشگاهی در اولویت قرار دهد. افشای توالی ژنتیکی و آزمایش‌های عملکردی در آینده مشخص خواهند کرد که آیا این آنزیم قابلیت فعالیت برنامه‌پذیر روی DNA را دارد یا خیر. با این حال، مدل عملیاتی در حال حاضر شفاف است و ترکیبی از جستجوی هدایت‌شده توسط مدل، بررسی انسانی و اعتبارسنجی فیزیکی را در یک چرخه تحقیقاتی تکرارشونده به نمایش می‌گذارد.