SARS-CoV-2, wirus wywołujący Covid-19, sprawił, że nasza przyszła podatność na patogeny biologiczne – i to, czego możemy się nauczyć, aby zapobiec kolejnej pandemii – stała się istotnym problemem. Nie mamy zbyt wielu dowodów na to, czy pojawienie się Covida na świecie było wynikiem wypadku laboratoryjnego, czy naturalnego skoku ze zwierzęcia na człowieka. I chociaż obecnie najlepsze przypuszczenie amerykańskiej agencji wywiadowczej jest takie, że wirus „prawdopodobnie nie został genetycznie zmodyfikowany”, teoria ta była przedmiotem wielu debat i nie została definitywnie wykluczona.
Wiele niewiadomych, z którymi mamy do czynienia, podkreśla potrzebę znacznie większego zestawu narzędzi do radzenia sobie z zagrożeniami patogennymi niż obecnie.
Bioinżynieria często pozostawia ślady — charakterystyczne wzory w RNA lub DNA zmodyfikowanego organizmu, które są wynikiem mnóstwa decyzji projektowych, które trafiają do biologii syntetycznej. Ten fakt dotyczący genomów bioinżynieryjnych rodzi interesujące pytanie: co by było, gdyby ślady pozostawione przez edycję genów były bardziej jak odciski palców? To znaczy, co, jeśli można nie tylko stwierdzić, czy coś zostało zaprojektowane, ale dokładnie, gdzie zostało zaprojektowane?
Taka jest idea przypisywania udziału w inżynierii genetycznej: wysiłek włożony w opracowanie narzędzi, które pozwolą nam przyjrzeć się genetycznie zmodyfikowanej sekwencji i określić, które laboratorium ją opracowało. Wielki międzynarodowy konkurs wśród naukowców, który odbył się na początku tego roku, pokazuje, że technologia jest w naszym zasięgu — choć trzeba będzie wiele dopracować, aby przejść od imponujących wyników konkursu do narzędzi, których możemy niezawodnie używać do pracy detektywistycznej.
Konkurs, Genetic Engineering Attribution Challenge , był sponsorowany przez niektóre z wiodących laboratoriów biobadawczych na świecie. Pomysł polegał na zachęceniu zespołów do opracowania technik atrybucji inżynierii genetycznej. Uczestnicy konkursu, którzy odnieśli największe sukcesy, mogli przewidzieć, korzystając z algorytmów uczenia maszynowego, które laboratorium wytworzyło określoną sekwencję genetyczną z ponad 80-procentową dokładnością.
Może się to wydawać techniczne, ale w rzeczywistości może być dość istotne w wysiłkach mających na celu uchronienie świata przed rodzajem zagrożenia, na które wszyscy powinniśmy być bardziej nastawieni po pandemii: broń bioinżynieryjna i wycieki wirusów bioinżynieryjnych.
Jednym z wyzwań związanych z zapobieganiem badaniom i rozmieszczaniu broni biologicznej jest to, że sprawcy mogą pozostać w ukryciu — trudno jest znaleźć źródło zabójczego wirusa i pociągnąć ich do odpowiedzialności.
Ale jeśli powszechnie wiadomo, że broń biologiczną można natychmiast i w sposób zweryfikowany przypisać do złego aktora, może to być cenny środek odstraszający.
Jest to również niezwykle ważne dla szerzej pojmowanego bezpieczeństwa biologicznego. W przypadku przypadkowego wycieku zmodyfikowanego wirusa, takie narzędzia pozwolą nam określić, skąd wyciekł, i wiedzieć, jakie laboratoria wykonują prace związane z inżynierią genetyczną z nieodpowiednimi procedurami bezpieczeństwa.
Odcisk palca wirusa
Setki wyborów projektowania przejść do inżynierii genetycznej: „co geny użyć, jakie enzymy użyć, aby połączyć je ze sobą, jakiego oprogramowania używasz, aby te decyzje za ciebie” obliczeniowa immunolog Will Bradshaw, współautor na pracy , powiedział:
„Enzymy, których ludzie używają do cięcia DNA, tną różne wzory i mają różne profile błędów”, mówi Bradshaw. „Możesz to zrobić w taki sam sposób, w jaki rozpoznajesz pismo odręczne”.
Ponieważ różni badacze z różnym przeszkoleniem i różnym sprzętem mają swoje własne, charakterystyczne „informacje”, można przyjrzeć się organizmowi zmodyfikowanemu genetycznie i zgadnąć, kto go stworzył — przynajmniej jeśli używasz algorytmów uczenia maszynowego.
Aby było jasne, ta praca, zwana atrybucją inżynierii genetycznej , bardzo różni się od wykrywania inżynierii genetycznej : nie chodzi o ustalenie, czy sekwencja została zmodyfikowana, ale o przyjrzenie się sekwencjom, o których już wiadomo, że zostały zaprojektowane, i ustalenie, kto je zbudował.
Algorytmy, które są wyszkolone do wykonywania tej pracy, są zasilane danymi z ponad 60 000 sekwencji genetycznych wyprodukowanych przez różne laboratoria. Pomysł polega na tym, że po podaniu nieznanej sekwencji algorytmy są w stanie przewidzieć, które z laboratoriów, które napotkali (jeśli w ogóle), prawdopodobnie ją wyprodukowały.
Rok temu naukowcy z altLabs, Johns Hopkins Center for Health Security i innych czołowych programów badań biologicznych współpracowali nad wyzwaniem, organizując konkurs, aby znaleźć najlepsze podejście do tego problemu z zakresu medycyny sądowej. Konkurs spotkał się z dużym zainteresowaniem ze strony naukowców, specjalistów z branży i naukowców obywatelskich — jednym z członków zwycięskiego zespołu był nauczyciel w przedszkolu. Prawie 300 zespołów z całego świata zgłosiło co najmniej jeden system uczenia maszynowego do identyfikacji laboratorium pochodzenia różnych sekwencji.
W tym opracowaniu do druku (który wciąż jest w trakcie wzajemnej oceny) organizatorzy konkursu podsumowują wyniki: Uczestnicy wspólnie zrobili duży krok naprzód w tym problemie. „Zwycięskie zespoły osiągnęły znacznie lepsze wyniki niż jakakolwiek poprzednia próba atrybucji inżynierii genetycznej, przy czym zespół z najlepszymi wynikami i zespół wszystkich zwycięzców pokonał poprzedni stan techniki o ponad 10 punktów procentowych” – zauważa gazeta.
Ogólny obraz jest taki, że naukowcy, wspomagani przez systemy uczenia maszynowego, stają się naprawdę dobrzy w znajdowaniu laboratorium, które zbudowało dany plazmid lub konkretną nić DNA używaną do manipulacji genami.
Zespoły o najlepszych wynikach miały 95 procent dokładności przy określaniu twórcy plazmidu za pomocą jednej miary zwanej „dokładnością 10 najlepszych” — co oznacza, że jeśli algorytm zidentyfikuje 10 laboratoriów kandydujących, prawdziwe laboratorium jest jednym z nich. Mieli 82 procent dokładności top 1 — to znaczy 82 procent przypadków laboratorium, które zidentyfikowali jako prawdopodobnego projektanta tego bioinżynieryjnego plazmidu, było w rzeczywistości laboratorium, które go zaprojektowało.
Dokładność Top 1 jest efektowna, ale w przypadku biologicznych prac detektywistycznych dokładność Top 10 jest prawie tak dobra: jeśli możesz zawęzić wyszukiwanie winowajców do niewielkiej liczby laboratoriów, możesz użyć innych metod w celu zidentyfikowania dokładnego laboratorium.
Jest jeszcze dużo pracy do wykonania. Konkurencja dotyczyła tylko prostych plazmidów poddanych inżynierii; najlepiej byłoby, gdybyśmy mieli podejścia, które działają w przypadku w pełni zmodyfikowanych wirusów i bakterii. A konkurencja nie przyjrzała się wrogim przykładom, w których badacze celowo próbują ukryć odciski palców swojego laboratorium w swojej pracy.
Jak genetyczne odciski palców mogą pomóc w utrzymaniu bezpieczeństwa na świecie
Wiedząc, które laboratorium wyprodukowało broń biologiczną, może nas chronić na trzy sposoby, naukowcy zajmujący się bezpieczeństwem biologicznym argumentowali w zeszłym roku w Nature Communications .
Po pierwsze, „wiedza o tym, kto był odpowiedzialny, może pomóc w reagowaniu, rzucając światło na motywy i możliwości, a tym samym złagodzić konsekwencje zdarzenia”. Oznacza to, że ustalenie, kto coś zbudował, da nam również wskazówki dotyczące celów, jakie mogli mieć, i ryzyka, z jakim możemy się zmierzyć.
Po drugie, oczywiście, pozwala światu nałożyć sankcje i zatrzymać każde laboratorium lub rząd, który produkuje broń biologiczną z naruszeniem prawa międzynarodowego.
I po trzecie, artykuł argumentuje ( miejmy nadzieję), że jeśli te możliwości są powszechnie znane, sprawią, że użycie broni biologicznej stanie się o wiele mniej atrakcyjne.
Ale techniki te mają również bardziej przyziemne zastosowania.
Bradshaw powiedział , że przewiduje, że zastosowania tej technologii mogą być wykorzystywane do wykrywania przypadkowych wycieków z laboratoriów, identyfikowania plagiatów w artykułach naukowych i ochrony biologicznej własności intelektualnej — a te aplikacje będą sprawdzać i rozszerzać narzędzia do naprawdę krytycznych zastosowań.
Ostatnie półtora roku powinno skłonić nas wszystkich do zastanowienia się, jak niszczycielska może być choroba pandemiczna – i czy środki ostrożności podejmowane przez laboratoria badawcze i rządy są naprawdę odpowiednie, aby zapobiec następnej pandemii.
Nie robimy wystarczająco dużo, ale bardziej wyrafinowana kryminalistyka biologiczna z pewnością może pomóc. Atrybucja inżynierii genetycznej to wciąż nowa dziedzina. Przy większym wysiłku prawdopodobnie pewnego dnia możliwe będzie przypisanie atrybucji na znacznie większą skalę i zrobienie tego dla wirusów i bakterii. To może zapewnić znacznie bezpieczniejszą przyszłość.