AI của Anthropic lập bản đồ vi khuẩn 3D đầu tiên thế giới

AI của Anthropic lập bản đồ vi khuẩn 3D đầu tiên thế giới

Nhóm nghiên cứu Anthropic dùng Claude tái dựng thành công cấu trúc 3D đầu tiên của hạt vault vi khuẩn có nguồn gốc từ protein thực khuẩn thể.

Trên blog ngày 5/11, Anthropic cho biết bản đồ cấu trúc ba chiều (3D) đầu tiên của một hạt vault liên quan đến sự sống của vi khuẩn giúp khám phá một nhánh chưa nghiên cứu trước đây của tập hợp protein bí ẩn này. Phát hiện được đánh giá có thể cung cấp cho giới nghiên cứu cách điều tra các cấu trúc tế bào người đơn giản hơn, mở thêm hướng nghiên cứu về phức hợp protein có mặt trong nhiều dạng sinh vật.


Hạt vault (vault particle, vault complex) được hai nhà khoa học Leonard Rome và Nancy Kedersha phát hiện năm 1986, gồm những cấu trúc rỗng hình thùng, thuộc nhóm phức hợp protein lớn nhất trong tế bào người. Vault ở động vật có vú gồm 78 bản sao protein chính, sắp xếp thành hai nửa đối xứng.

Theo Interesting Engineering, hạt vault đã làm các nhà sinh học bối rối gần bốn thập kỷ. Dù có kích thước khổng lồ và hiện diện rộng rãi, giới nghiên cứu chưa thể giải thích được mục đích sinh học của chúng. Một số cho rằng chúng giúp vận chuyển tế bào, kháng thuốc và phòng vệ miễn dịch, nhưng các thí nghiệm thực tế chưa chứng minh chắc chắn bất kỳ chức năng nào trong số này.

Cụ thể, nhóm sàng lọc khoảng 15 tỷ chuỗi protein dự đoán để tìm các "họ hàng xa", qua đó phát hiện protein vault tiềm năng ở 29 nhóm vi khuẩn và bốn nhóm vi khuẩn cổ, cuối cùng chọn 44 ứng viên để thử nghiệm. Kết quả, 7 trong số 15 protein tổng hợp thành công có khả năng tự lắp ráp thành hạt hình vòm. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM) xác nhận cấu trúc của bốn ứng viên, gồm hai loại từ vi khuẩn và hai loại từ thực khuẩn thể.

Nhóm nghiên cứu chọn protein L05 có nguồn gốc từ thực khuẩn thể (virus lây nhiễm vi khuẩn, sử dụng bộ máy tế bào của vật chủ) để phân tích sâu. L05 tự lắp ráp thành hạt hoàn chỉnh gồm 96 bản sao protein dài khoảng 54 nm, rộng 45 nm và có khối lượng phân tử 9,5 megadalton (MDa). Dù ngắn hơn, cấu trúc này chứa thể tích bên trong lớn hơn khoảng 25% so với khoang của hạt vault ở động vật có vú.

Nhóm tiếp tục chỉnh sửa protein để tìm hiểu quá trình tiến hóa cấu trúc. Việc bổ sung hai đoạn lặp tạo ra hạt lớn với thể tích bên trong tăng khoảng 20%. Kết quả cho thấy sự nhân đôi gene mã hóa protein có thể góp phần hình thành các khoang chứa protein với kích thước khác nhau, đồng thời chỉ ra những thay đổi nhỏ trong cấu trúc protein có thể khiến các hạt mất khả năng khép kín hoàn toàn.

Mô hình Claude của Anthropic đóng góp xuyên suốt quá trình, bao gồm tìm kiếm protein, thiết kế DNA, tinh chế và phân tích hiển vi. Tuy nhiên, bước đột phá lớn của mô hình là đơn giản hóa quy trình phân lập hạt, khi rút ngắn quá trình tinh chế từ 3 ngày còn 90 phút, đồng thời xác định thiết bị phù hợp và tối ưu hóa quy trình thí nghiệm.

Bên cạnh đó, Claude cũng được sử dụng cho xử lý dữ liệu cryo-EM. Mô hình cấu trúc hoàn chỉnh đầu tiên xuất hiện trong vòng 34 giờ thay vì vài tuần như cách làm truyền thống.

Dù đạt nhiều kết quả, dự án vẫn bộc lộ hạn chế trong quá trình nghiên cứu. Một quy trình thử nghiệm sử dụng chất phụ gia gây cản trở việc truyền DNA, khiến tiến độ chậm hai tuần. Claude cũng tạo ra bản đồ cấu trúc sai lệch do bỏ qua một bước xử lý tiêu chuẩn. Nhóm nghiên cứu sau đó khắc phục các vấn đề bằng cách tăng cường giám sát và chia sẻ dữ liệu, quan sát trong phòng thí nghiệm với đội ngũ phát triển nhằm cải thiện hiệu suất của mô hình AI.

Ngoài ra, dù có bước đột phá về cấu trúc, bí ẩn trung tâm vẫn chưa được giải đáp. Nhóm vẫn chưa xác định các hạt vault thực sự có tác dụng gì bên trong sinh vật sống. "Đây vẫn là câu hỏi khó", Leonard Rome, đại diện nhóm nghiên cứu, cho biết. "Phát hiện mới chỉ cung cấp một hướng đi khác để trả lời câu hỏi đó. Phần lớn khía cạnh sinh học vẫn chưa được khám phá".

Năm nay, Claude - mô hình AI chủ lực của Anthropic - được đánh giá giúp giới nghiêm cứu có những khám phá sinh học đáng chú ý. Hồi tháng 8, mô hình hỗ trợ thiết kế protein có khả năng liên kết với 14 trong 15 mục tiêu thử nghiệm, với tỷ lệ thành công 22-35%. Tháng 9, AI này phát hiện hệ thống enzyme ART có một số đặc điểm tương tự công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR. Tháng 10, Claude tạo hơn 318.000 thiết kế protein mini nhằm liên kết độc tố thần kinh trong nọc bọ cạp, trong đó 17 mẫu đạt tiêu chí thử nghiệm.

Theo Science, những kết quả trên cho thấy AI đang mở rộng vai trò trong nghiên cứu sinh học, từ phân tích dữ liệu đến thiết kế protein và tìm kiếm cơ chế phân tử mới. Dù vậy, các phát hiện vẫn cần giới khoa học kiểm chứng độc lập trước khi chuyển thành ứng dụng y sinh.

Michal Rosen-Zvi, cựu giám đốc AI của mảng Chăm sóc sức khỏe và khoa học sự sống tại IBM Research, dự đoán sau toán học, sinh học và hóa học sẽ là lĩnh vực tiếp theo được trí tuệ nhân tạo thúc đẩy. "Chúng ta mới chỉ ở giai đoạn đầu của quá trình", ông Rosen-Zvi nói với IBM Think.

---

Nguồn: VnExpress Số hóa
Chuyên mục: AI