एआई प्लस जीन एडिटिंग बायोटेक को हाई गियर में स्थानांतरित करने का वादा करता है

(मार्क ज़िमर, कनेक्टिकट कॉलेज)

न्यू लंदन (यूएस), सात जून (द कन्वरसेशन) 2018 में अपने रसायन विज्ञान नोबेल पुरस्कार व्याख्यान के दौरान, फ्रांसिस अर्नोल्ड ने कहा, ‘आज हम सभी व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए डीएनए के किसी भी अनुक्रम को पढ़, लिख और संपादित कर सकते हैं, लेकिन हम इसे बना नहीं सकते।’ यह बात अब सच नहीं है।

तब से, विज्ञान और प्रौद्योगिकी ने इतनी प्रगति की है कि कृत्रिम बुद्धिमत्ता ने डीएनए बनाना सीख लिया है, और आनुवंशिक रूप से संशोधित बैक्टीरिया के साथ, वैज्ञानिक विशेष प्रोटीन को डिजाइन करने और बनाने की राह पर हैं।

लक्ष्य यह है कि एआई की डिजाइनिंग प्रतिभाओं और जीन संपादन की इंजीनियरिंग क्षमताओं के साथ, वैज्ञानिक बैक्टीरिया को संशोधित करके नए प्रोटीन का उत्पादन करने वाले मिनी कारखानों के रूप में कार्य कर सकते हैं जो ग्रीनहाउस गैसों को कम कर सकते हैं, प्लास्टिक को पचा सकते हैं या प्रजाति-विशिष्ट कीटनाशकों के रूप में कार्य कर सकते हैं।

रसायन विज्ञान के एक प्रोफेसर और कम्प्यूटेशनल रसायनज्ञ के रूप में जो आणविक विज्ञान और पर्यावरण रसायन विज्ञान का अध्ययन करते हैं, मेरा मानना ​​है कि एआई और जीन संपादन में प्रगति इसे एक यथार्थवादी संभावना बनाती है।

जीन अनुक्रमण – जीवन के नुस्खे पढ़ना

सभी जीवित चीजों में आनुवंशिक सामग्री – डीएनए और आरएनए – होते हैं जो खुद को दोहराने और प्रोटीन बनाने के लिए आवश्यक वंशानुगत जानकारी प्रदान करते हैं। मनुष्य के सूखे वजन का 75% प्रोटीन होता है। वे मांसपेशियां, एंजाइम, हार्मोन, रक्त, बाल और उपास्थि बनाते हैं। प्रोटीन को समझने का मतलब जीव विज्ञान को बहुत कुछ समझना है। डीएनए में न्यूक्लियोटाइड आधारों का क्रम, या कुछ वायरस में आरएनए, इस जानकारी को एनकोड करता है, और जीनोमिक अनुक्रमण प्रौद्योगिकियां इन आधारों के क्रम की पहचान करती हैं।

मानव जीनोम परियोजना एक अंतरराष्ट्रीय प्रयास था जिसने 1990 से 2003 तक संपूर्ण मानव जीनोम को अनुक्रमित किया। तेजी से सुधार करने वाली प्रौद्योगिकियों की मदद से, जीनोम के पहले 1% को अनुक्रमित करने में सात साल लग गए और शेष 99% के लिए अन्य सात साल लग गए। 2003 तक, वैज्ञानिकों के पास मानव जीनोम में 20,000 से 25,000 जीनों के लिए कोडिंग करने वाले 3 अरब न्यूक्लियोटाइड बेस जोड़े का पूरा अनुक्रम था।

हालाँकि, अधिकांश प्रोटीनों के कार्यों को समझना और उनकी खराबी को ठीक करना एक चुनौती बनी रही।

एआई प्रोटीन सीखता है

प्रत्येक प्रोटीन का आकार उसके कार्य के लिए महत्वपूर्ण है और यह उसके अमीनो एसिड के अनुक्रम से निर्धारित होता है, जो बदले में जीन के न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम द्वारा निर्धारित होता है। गलत तरीके से मुड़े हुए प्रोटीन का आकार गलत होता है और यह न्यूरोडीजेनेरेटिव रोग, सिस्टिक फाइब्रोसिस और टाइप 2 मधुमेह जैसी बीमारियों का कारण बन सकता है। इन बीमारियों को समझने और उपचार विकसित करने के लिए प्रोटीन आकृतियों के ज्ञान की आवश्यकता होती है।

2016 से पहले, प्रोटीन के आकार को निर्धारित करने का एकमात्र तरीका एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी के माध्यम से था, एक प्रयोगशाला तकनीक जो एक अणु में तीन आयामों में परमाणुओं और अणुओं की सटीक व्यवस्था निर्धारित करने के लिए एकल क्रिस्टल द्वारा एक्स-रे के विवर्तन का उपयोग करती है। उस समय, अरबों डॉलर की लागत से लगभग 200,000 प्रोटीन की संरचना क्रिस्टलोग्राफी द्वारा निर्धारित की गई थी।

अल्फ़ाफ़ोल्ड, एक मशीन लर्निंग प्रोग्राम, ने इन क्रिस्टल संरचनाओं का उपयोग उनके न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों से प्रोटीन के आकार को निर्धारित करने के लिए एक प्रशिक्षण सेट के रूप में किया। और एक वर्ष से भी कम समय में, कार्यक्रम ने सभी 21 करोड़ 40 लाख जीनों की प्रोटीन संरचनाओं की गणना की जिन्हें अनुक्रमित और प्रकाशित किया गया है। अल्फाफोल्ड द्वारा निर्धारित सभी प्रोटीन संरचनाएं एक स्वतंत्र रूप से उपलब्ध डेटाबेस में जारी की गई हैं।

गैर-संक्रामक रोगों को प्रभावी ढंग से संबोधित करने और नई दवाओं को डिजाइन करने के लिए, वैज्ञानिकों को इस बारे में अधिक विस्तृत ज्ञान की आवश्यकता है कि प्रोटीन, विशेष रूप से एंजाइम, छोटे अणुओं को कैसे बांधते हैं। एंजाइम प्रोटीन उत्प्रेरक होते हैं जो जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्षम और नियंत्रित करते हैं।

8 मई, 2024 को जारी अल्फाफोल्ड3, प्रोटीन के आकार और उन स्थानों की भविष्यवाणी कर सकता है जहां छोटे अणु इन प्रोटीनों से जुड़ सकते हैं। तर्कसंगत दवा डिज़ाइन में, दवाओं को इलाज किए जा रहे रोग से संबंधित मार्ग में शामिल प्रोटीन को बांधने के लिए डिज़ाइन किया गया है। छोटे अणु वाली दवाएं प्रोटीन बाइंडिंग साइट से जुड़ती हैं और इसकी गतिविधि को नियंत्रित करती हैं, जिससे रोग पथ प्रभावित होता है। प्रोटीन बाइंडिंग साइटों की भविष्यवाणी करने में सक्षम होने से, अल्फाफोल्ड3 शोधकर्ताओं की दवा विकास क्षमताओं को बढ़ाएगा।

एआई + सीआरआईएसपीआर = नए प्रोटीन की रचना करना

2015 के आसपास, सीआरआईएसपीआर तकनीक के विकास ने जीन संपादन में क्रांति ला दी। सीआरआईएसपीआर का उपयोग जीन के एक विशिष्ट भाग को खोजने, उसे बदलने या हटाने, कोशिका को उसके जीन उत्पाद को कम या ज्यादा व्यक्त करने या उसके स्थान पर एक पूरी तरह से बाहरी जीन जोड़ने के लिए किया जा सकता है।

2020 में, जेनिफर डौडना और इमैनुएल चार्पेंटियर को ‘जीनोम संपादन के लिए एक विधि (सीआरआईएसपीआर) के विकास के लिए’ रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार मिला। सीआरआईएसपीआर के साथ, जीन संपादन, जिसमें कभी वर्षों लग जाते थे और यह प्रजाति विशिष्ट, महंगा और श्रमसाध्य था, अब कुछ ही दिनों में और लागत के एक अंश में किया जा सकता है।

एआई और जेनेटिक इंजीनियरिंग तेजी से आगे बढ़ रहे हैं। जो चीज़ एक समय जटिल और महँगी थी वह अब नियमित हो गई है। आगे देखते हुए, सपना मशीन लर्निंग और सीआरआईएसपीआर-संशोधित बैक्टीरिया के संयोजन द्वारा डिजाइन और निर्मित किए गए विशेष प्रोटीन का है। एआई प्रोटीन को डिज़ाइन करेगा, और सीआरआईएसपीआर का उपयोग करके परिवर्तित बैक्टीरिया प्रोटीन का उत्पादन करेगा। इस तरह से उत्पादित एंजाइम संभावित रूप से कार्बनिक फीडस्टॉक्स को बाहर निकालते समय कार्बन डाइऑक्साइड और मीथेन में सांस ले सकते हैं, या प्लास्टिक को कंक्रीट के विकल्प में तोड़ सकते हैं।

मेरा मानना ​​है कि ये महत्वाकांक्षाएं अवास्तविक नहीं हैं, यह देखते हुए कि आनुवंशिक रूप से संशोधित जीव पहले से ही कृषि और फार्मास्यूटिकल्स में अमेरिकी अर्थव्यवस्था का 2% हिस्सा हैं।

दो समूहों ने स्क्रैच से कार्यशील एंजाइम बनाए हैं जिन्हें अलग-अलग एआई सिस्टम द्वारा डिजाइन किया गया था। वाशिंगटन विश्वविद्यालय में डेविड बेकर के प्रोटीन डिजाइन संस्थान ने एक नई गहन-शिक्षण-आधारित प्रोटीन डिजाइन रणनीति तैयार की, जिसे ‘परिवार-व्यापी मतिभ्रम’ नाम दिया गया, जिसका उपयोग उन्होंने एक अद्वितीय प्रकाश उत्सर्जक एंजाइम बनाने के लिए किया। इस बीच, बायोटेक स्टार्टअप प्रोफ्लुएंट ने नए कामकाजी जीनोम संपादकों को डिजाइन करने के लिए सभी सीआरआईएसपीआर-कैस ज्ञान के योग से प्रशिक्षित एआई का उपयोग किया है।

यदि एआई नए सीआरआईएसपीआर सिस्टम के साथ-साथ बायोलुमिनसेंट एंजाइम बनाना सीख सकता है जो काम करते हैं और पृथ्वी पर कभी नहीं देखे गए हैं, तो उम्मीद है कि सीआरआईएसपीआर को एआई के साथ जोड़कर अन्य नए बेस्पोक एंजाइमों को डिजाइन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हालाँकि सीआरआईएसपीआर-एआई संयोजन अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, एक बार परिपक्व होने के बाद यह अत्यधिक फायदेमंद होने की संभावना है और दुनिया को जलवायु परिवर्तन से निपटने में भी मदद कर सकता है।

हालाँकि, यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि कोई तकनीक जितनी अधिक शक्तिशाली होती है, उसमें जोखिम भी उतने ही अधिक होते हैं। इसके अलावा, प्राकृतिक प्रणालियों की जटिलता और अंतर्संबंध के कारण मनुष्य प्रकृति की इंजीनियरिंग में बहुत सफल नहीं रहा है, जिसके अक्सर अनपेक्षित परिणाम होते हैं।

द कन्वरसेशन एकता एकता

नरेश