Kecerdasan buatan ditambah pengeditan gen diharapkan membawa bioteknologi berkembang pesat:: beragampengetahuan – Beragampengetahuan

Frances Arnold mengatakan dalam Kuliah Hadiah Nobel Kimia tahun 2018: “Saat ini kita dapat membaca, menulis, dan mengedit urutan DNA apa pun untuk semua tujuan praktis, tetapi kita tidak dapat mensintesisnya lagi.”

Sains dan teknologi telah berkembang pesat sejak saat itu, dengan kecerdasan buatan yang belajar mensintesis DNA dan, dengan bantuan bakteri hasil rekayasa genetika, para ilmuwan mulai merancang dan memproduksi protein khusus.

Tujuannya adalah dengan menggunakan bakat desain kecerdasan buatan dan kekuatan rekayasa pengeditan gen, para ilmuwan dapat merekayasa bakteri untuk bertindak sebagai pabrik kecil yang menghasilkan protein baru yang dapat mengurangi gas rumah kaca, mencerna plastik, atau bertindak sebagai pestisida spesifik spesies.

Sebagai seorang profesor kimia dan ahli kimia komputasi yang mempelajari ilmu molekuler dan kimia lingkungan, saya yakin kemajuan dalam kecerdasan buatan dan pengeditan gen membuat hal ini menjadi mungkin.

Urutan gen – menafsirkan resep kehidupan

Semua makhluk hidup mengandung materi genetik (DNA dan RNA), yang menyediakan informasi genetik yang diperlukan untuk mereplikasi diri dan membuat protein. Protein menyumbang 75% dari berat kering tubuh manusia. Mereka membentuk otot, enzim, hormon, darah, rambut dan tulang rawan. Memahami protein berarti mengetahui banyak tentang biologi. Urutan basa nukleotida dalam DNA atau RNA pada beberapa virus mengkodekan informasi ini, dan teknologi pengurutan genom mengidentifikasi urutan basa ini.

Proyek Genom Manusia adalah upaya internasional yang mengurutkan seluruh genom manusia dari tahun 1990 hingga 2003. Berkat kemajuan pesat dalam teknologi, kami membutuhkan waktu tujuh tahun untuk mengurutkan 1% genom pertama, dan tujuh tahun lagi untuk mengurutkan 99% sisanya. Pada tahun 2003, para ilmuwan memiliki urutan lengkap dari 3 miliar pasangan basa nukleotida yang mengkode 20.000 hingga 25.000 gen dalam genom manusia.

Namun, memahami fungsi sebagian besar protein dan memperbaiki kerusakannya masih merupakan sebuah tantangan.

AI mempelajari protein

Bentuk setiap protein sangat penting bagi fungsinya dan ditentukan oleh urutan asam aminonya, yang selanjutnya ditentukan oleh urutan nukleotida gen. Protein yang salah lipatan memiliki bentuk yang salah dan dapat menyebabkan kondisi seperti degenerasi saraf, fibrosis kistik, dan diabetes tipe 2. Memahami penyakit-penyakit ini dan mengembangkan pengobatan memerlukan pengetahuan tentang bentuk protein.

Sebelum tahun 2016, satu-satunya cara untuk menentukan bentuk suatu protein adalah melalui kristalografi sinar-X, suatu teknik laboratorium yang menggunakan difraksi sinar-X kristal tunggal untuk menentukan susunan atom dan molekul yang tepat dalam suatu molekul dalam tiga dimensi. Pada saat itu, struktur sekitar 200.000 protein telah ditentukan secara kristalografi, dengan biaya miliaran dolar.

AlphaFold adalah program pembelajaran mesin yang menggunakan struktur kristal ini sebagai set pelatihan untuk menentukan bentuk protein berdasarkan urutan nukleotidanya. Dalam waktu kurang dari setahun, program ini menghitung struktur protein dari 214 juta gen yang telah diurutkan dan dipublikasikan. Struktur protein yang ditentukan oleh AlphaFold semuanya telah dipublikasikan dalam database gratis.

Untuk mengatasi penyakit tidak menular secara efektif dan merancang obat baru, para ilmuwan memerlukan pemahaman yang lebih rinci tentang bagaimana protein, terutama enzim, mengikat molekul kecil. Enzim adalah katalis protein yang mendorong dan mengatur reaksi biokimia.

AlphaFold3, yang dirilis pada 8 Mei 2024, dapat memprediksi bentuk protein dan di mana molekul kecil dapat berikatan dengan protein tersebut. Dalam desain obat yang rasional, obat dirancang untuk berikatan dengan protein yang terlibat dalam jalur yang relevan dengan penyakit yang sedang diobati. Obat bermolekul kecil berikatan dengan tempat pengikatan protein dan memodulasi aktivitasnya, sehingga mempengaruhi jalur penyakit. Dengan memprediksi situs pengikatan protein, AlphaFold3 akan meningkatkan kemampuan pengembangan obat para peneliti.

AI + CRISPR = sintesis protein baru

Sekitar tahun 2015, perkembangan teknologi CRISPR merevolusi penyuntingan gen. CRISPR dapat digunakan untuk menemukan bagian tertentu dari suatu gen, mengubah atau menghapusnya, membuat sel mengekspresikan produk gennya lebih atau kurang, atau bahkan menambahkan gen asing sebagai gantinya.

Pada tahun 2020, Jennifer Doudna dan Emmanuelle Charpentier memenangkan Hadiah Nobel Kimia “untuk pengembangan metode pengeditan genom (CRISPR).” Dengan CRISPR, pengeditan gen, yang dahulu memerlukan waktu bertahun-tahun, bersifat spesifik spesies, mahal dan melelahkan, kini dapat dilakukan dalam hitungan hari dan dengan biaya yang jauh lebih murah.

Kecerdasan buatan dan rekayasa genetika berkembang pesat. Apa yang tadinya rumit dan mahal kini menjadi hal biasa. Ke depannya, impian kami adalah merancang dan memproduksi protein khusus melalui kombinasi pembelajaran mesin dan bakteri yang dimodifikasi CRISPR. Kecerdasan buatan akan merancang protein, dan bakteri yang direkayasa menggunakan CRISPR akan memproduksinya. Enzim yang dihasilkan dengan cara ini mungkin menghirup karbon dioksida dan metana sambil mengeluarkan bahan mentah organik, atau memecah plastik menjadi pengganti beton.

Saya yakin ambisi ini bukannya tidak realistis, karena GMO sudah menyumbang 2% dari perekonomian pertanian dan farmasi AS.

Dua kelompok membuat enzim fungsional yang dirancang dari awal oleh sistem kecerdasan buatan yang berbeda. Institut Desain Protein David L. Baker di Universitas Washington merancang strategi desain protein berbasis pembelajaran mendalam yang mereka beri nama “halusinasi keluarga”, yang mereka gunakan untuk menciptakan enzim pemancar cahaya yang unik. Sementara itu, startup bioteknologi Pro Fluent menggunakan kecerdasan buatan yang dilatih pada semua pengetahuan CRISPR-Cas untuk merancang editor genom fungsional baru.

Jika AI dapat belajar membuat sistem CRISPR baru dan enzim bioluminesen yang belum pernah ada sebelumnya di Bumi, maka terdapat harapan bahwa menggabungkan CRISPR dengan AI dapat digunakan untuk merancang enzim khusus baru lainnya. Meskipun kombinasi CRISPR-AI masih dalam tahap awal, namun setelah matang, kombinasi ini dapat memberikan manfaat yang sangat besar dan bahkan membantu dunia memerangi perubahan iklim.

Namun, penting untuk diingat bahwa semakin canggih teknologinya, semakin besar pula risiko yang ditimbulkannya. Selain itu, karena kompleksitas dan keterhubungan sistem alam, manusia belum berhasil mengubah alam, sehingga seringkali menimbulkan konsekuensi yang tidak diinginkan.

Tentang Penulis:

Mark Zimmer, Profesor Kimia, perguruan tinggi Connecticut

Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel aslinya.