Yu Ki San
Writer
Một bước tiến đột phá vừa được ghi nhận trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI) và sinh học tổng hợp khi các nhà khoa học Mỹ đã sử dụng AI để thiết kế thành công một loại protein hoàn toàn mới, chưa từng tồn tại trong tự nhiên. Thành tựu này không chỉ mang tính cách mạng trong việc tổng hợp protein - những "viên gạch nền tảng" của sự sống - mà còn hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới cho y học, công nghệ sinh học và vật liệu sinh học.
Quá trình thiết kế protein truyền thống và sự đột phá của AI
Hệ thống AI được sử dụng trong nghiên cứu này mang tên EvolutionaryScale Model 3 (ESM3), đã tạo ra một protein phát quang màu xanh có tên gọi esmGFP. Điều đáng kinh ngạc là esmGFP chỉ có 58% điểm tương đồng với protein gần nhất của nó trong tự nhiên là tagRFP. Để đạt được sự khác biệt này, quá trình tiến hóa tự nhiên sẽ phải mất tới 500 triệu năm, nhưng ESM3 đã hoàn thành điều đó trong một khoảng thời gian ngắn đến khó tin.
Thông thường, quá trình tạo ra một loại protein mới đòi hỏi các nhà khoa học phải trải qua nhiều năm thử nghiệm, tinh chỉnh hàng triệu biến thể khác nhau để tìm ra phiên bản hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, với sức mạnh của AI, quá trình này đã được rút ngắn và tối ưu hóa một cách đáng kể. ESM3 được huấn luyện trên một kho dữ liệu khổng lồ bao gồm 3,15 tỷ chuỗi protein, 236 triệu cấu trúc protein 3D và 539 triệu ghi chú về chức năng của protein. Nhờ khả năng nhận diện và phân tích các mẫu từ khối lượng dữ liệu khổng lồ này, AI có thể dự đoán cách thức hoạt động của một protein, tương tự như cách ChatGPT có thể sáng tác thơ sau khi được huấn luyện trên hàng triệu bài thơ.
Tiềm năng ứng dụng trong Y học, Công nghệ Sinh học và Vật liệu Sinh học
Điểm mấu chốt của thành công này nằm ở việc esmGFP thực sự hoạt động. Nó phát quang giống như protein tagRFP trong tự nhiên, một đặc tính vô cùng quan trọng và có giá trị ứng dụng cao trong nghiên cứu sinh học cũng như công nghệ y học. Khả năng tạo ra protein có chức năng theo yêu cầu của AI không chỉ giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu mà còn mở ra cánh cửa để khám phá những tiềm năng hoàn toàn mới từ protein - điều mà trước đây con người chỉ có thể phụ thuộc vào quá trình tiến hóa tự nhiên kéo dài hàng triệu năm.
Sự ra đời của AI tổng hợp protein được kỳ vọng sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực.
Vượt qua giới hạn của tiến hóa tự nhiên
Một trong những khía cạnh thú vị nhất của AI tổng hợp protein là khả năng vượt qua những giới hạn của tiến hóa tự nhiên. Trong khi tự nhiên phải đảm bảo mỗi lần biến đổi protein không làm mất đi chức năng của hệ thống tổng thể, AI có thể tự do khám phá những con đường tiến hóa mà tự nhiên chưa từng thử qua. Điều này đồng nghĩa với việc con người có thể tạo ra những loại protein chưa từng xuất hiện trong lịch sử sự sống trên Trái Đất, mở ra tiềm năng vô hạn cho các ứng dụng trong tương lai.
Mặc dù các protein do AI thiết kế vẫn cần được kiểm tra thực nghiệm để xác nhận chức năng, các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng trong tương lai không xa, việc tạo ra protein theo yêu cầu chỉ với một vài dòng lệnh AI sẽ trở thành hiện thực. Điều này có thể thay đổi hoàn toàn cách thức phát triển thuốc, vật liệu sinh học và thậm chí cả công nghệ nano sinh học. AI không chỉ đang định nghĩa lại khả năng thiết kế sinh học mà còn có tiềm năng viết lại tương lai của sự sống nhân tạo.
Quá trình thiết kế protein truyền thống và sự đột phá của AI
Hệ thống AI được sử dụng trong nghiên cứu này mang tên EvolutionaryScale Model 3 (ESM3), đã tạo ra một protein phát quang màu xanh có tên gọi esmGFP. Điều đáng kinh ngạc là esmGFP chỉ có 58% điểm tương đồng với protein gần nhất của nó trong tự nhiên là tagRFP. Để đạt được sự khác biệt này, quá trình tiến hóa tự nhiên sẽ phải mất tới 500 triệu năm, nhưng ESM3 đã hoàn thành điều đó trong một khoảng thời gian ngắn đến khó tin.
Thông thường, quá trình tạo ra một loại protein mới đòi hỏi các nhà khoa học phải trải qua nhiều năm thử nghiệm, tinh chỉnh hàng triệu biến thể khác nhau để tìm ra phiên bản hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, với sức mạnh của AI, quá trình này đã được rút ngắn và tối ưu hóa một cách đáng kể. ESM3 được huấn luyện trên một kho dữ liệu khổng lồ bao gồm 3,15 tỷ chuỗi protein, 236 triệu cấu trúc protein 3D và 539 triệu ghi chú về chức năng của protein. Nhờ khả năng nhận diện và phân tích các mẫu từ khối lượng dữ liệu khổng lồ này, AI có thể dự đoán cách thức hoạt động của một protein, tương tự như cách ChatGPT có thể sáng tác thơ sau khi được huấn luyện trên hàng triệu bài thơ.
Tiềm năng ứng dụng trong Y học, Công nghệ Sinh học và Vật liệu Sinh học
Điểm mấu chốt của thành công này nằm ở việc esmGFP thực sự hoạt động. Nó phát quang giống như protein tagRFP trong tự nhiên, một đặc tính vô cùng quan trọng và có giá trị ứng dụng cao trong nghiên cứu sinh học cũng như công nghệ y học. Khả năng tạo ra protein có chức năng theo yêu cầu của AI không chỉ giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu mà còn mở ra cánh cửa để khám phá những tiềm năng hoàn toàn mới từ protein - điều mà trước đây con người chỉ có thể phụ thuộc vào quá trình tiến hóa tự nhiên kéo dài hàng triệu năm.
Sự ra đời của AI tổng hợp protein được kỳ vọng sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực.
- Trong y học: Nó hứa hẹn thúc đẩy quá trình phát triển thuốc, vắc-xin và các liệu pháp điều trị bệnh di truyền một cách nhanh chóng và chính xác hơn.
- Trong công nghệ sinh học: AI có thể tạo ra những protein đặc biệt được thiết kế riêng cho các ứng dụng như cảm biến sinh học, công cụ chỉnh sửa gen hoặc vật liệu sinh học tiên tiến.
- Trong lĩnh vực vật liệu sinh học: Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những protein với độ bền siêu cao, khả năng tự sửa chữa hoặc dùng để thay thế vật liệu nhân tạo trong y khoa và công nghiệp.
Một trong những khía cạnh thú vị nhất của AI tổng hợp protein là khả năng vượt qua những giới hạn của tiến hóa tự nhiên. Trong khi tự nhiên phải đảm bảo mỗi lần biến đổi protein không làm mất đi chức năng của hệ thống tổng thể, AI có thể tự do khám phá những con đường tiến hóa mà tự nhiên chưa từng thử qua. Điều này đồng nghĩa với việc con người có thể tạo ra những loại protein chưa từng xuất hiện trong lịch sử sự sống trên Trái Đất, mở ra tiềm năng vô hạn cho các ứng dụng trong tương lai.
Mặc dù các protein do AI thiết kế vẫn cần được kiểm tra thực nghiệm để xác nhận chức năng, các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng trong tương lai không xa, việc tạo ra protein theo yêu cầu chỉ với một vài dòng lệnh AI sẽ trở thành hiện thực. Điều này có thể thay đổi hoàn toàn cách thức phát triển thuốc, vật liệu sinh học và thậm chí cả công nghệ nano sinh học. AI không chỉ đang định nghĩa lại khả năng thiết kế sinh học mà còn có tiềm năng viết lại tương lai của sự sống nhân tạo.
