Tiến hóa vượt trội trong thiết kế protein, giải quyết vấn đề với tốc độ

Tôi xem chủ đề này là 'kiến trúc cấp độ phân tử'. Có một thời con người hài lòng với những cấu trúc do tiến hóa ngẫu nhiên tạo ra qua hàng tỷ năm. Giờ đây, loài người đang tiến vào kỷ nguyên mới với mục tiêu rõ ràng, thiết kế những 'cỗ máy phân tử' mới theo bản thiết kế định sẵn.

Trọng tâm của sự thay đổi này nằm ở David Baker, người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2024. Bài nói chuyện TED của ông vượt xa việc chỉ đơn giản giới thiệu những thành tựu khoa học đáng kinh ngạc. Câu chuyện tôi muốn chia sẻ hôm nay là cách công nghệ 'thiết kế protein' này vượt qua tốc độ tiến hóa để giải quyết các vấn đề của con người, cũng như ý nghĩa của công cụ mạnh mẽ này đối với chúng ta.

Mục lục

Từ thời đại 'đọc' mã sinh học đến thời đại 'viết'
AI, chân ga bắt kịp tốc độ tiến hóa
Tương lai được thiết kế: Y học, môi trường và cơ hội cho Việt Nam
Sự đổi mới mở và những câu hỏi phía trước chúng ta

1. Từ kỷ nguyên 'đọc' mã sự sống đến kỷ nguyên 'viết' mã

Chúng ta từ lâu đã chỉ coi thiên nhiên là đối tượng để quan sát với sự ngạc nhiên.

Protein là 'người lao động' của sự sống. Gần như mọi chức năng trong cơ thể chúng ta đều do protein thực hiện, từ việc vận chuyển dinh dưỡng, chữa lành tổ chức đến kích thích phản ứng miễn dịch. Sinh học trong quá khứ đã tập trung khám phá các protein tồn tại trong tự nhiên và 'hiểu' cấu trúc cũng như chức năng của chúng.

Lý do David Baker nhận Giải Nobel Hóa học 2024 vì ông đã thay đổi cục diện này. Ông đã vượt lên thành tựu 'dự đoán cấu trúc protein' của các đồng người đoạt giải (John Jumper, Demis Hassabis), khai phá lĩnh vực 'thiết kế protein', tạo ra protein chưa từng tồn tại trong tự nhiên.

"Chúng ta không chỉ hiểu hệ sinh học mà còn có thể tạo ra những thứ mới mẻ." — David Baker

Nguyên lý cốt lõi là sự thay đổi tư duy. Nếu nguyên lý cũ là trình tự axit amin xác định cấu trúc ba chiều của protein, thì thiết kế protein đi theo hướng ngược lại. Chúng ta thiết kế cấu trúc ba chiều trước tiên để thực hiện chức năng cụ thể mong muốn (ví dụ: liên kết với virus), sau đó dùng máy tính để tính toán 'ngược' trình tự axit amin có thể tạo ra cấu trúc đó. Đây là tuyên bố rằng sinh học đang chuyển mình từ một môn khoa học quan sát sang một ngành công nghệ sáng tạo.

2. AI, bàn đạp để đuổi kịp tốc độ tiến hóa

Tưởng tượng thì dễ, nhưng việc tính toán trong thực tế vô cùng phức tạp.

Nghiên cứu thiết kế protein ban đầu phụ thuộc vào mô hình dựa trên vật lý. Mô phỏng mọi kết hợp axit amin có thể đòi hỏi nguồn lực tính toán khổng lồ. (Các dự án tính toán phân tán như Rosetta@home đã được huy động cho việc này.) Tỷ lệ thành công thấp và tốc độ tiến bộ chậm.

Sự đổi mới bất ngờ đến từ khoa học máy tính, cụ thể là AI. Khi công nghệ học sâu được áp dụng vào thiết kế protein, mọi thứ đã thay đổi. Mô hình AI nổi bật như RFdiffusion từ phòng thí nghiệm của David Baker (IPD) là ví dụ tiêu biểu.

Các mô hình AI này đã học từ hàng trăm nghìn dữ liệu cấu trúc protein đã biết. Kết quả là, giờ đây, chỉ cần nhập vào lời nhắc "cần protein có chức năng như thế này", AI có thể nhanh chóng và chính xác tạo ra thiết kế hoàn toàn mới (trình tự axit amin) mà lịch sử tiến hóa chưa từng có.

Đó chính là vấn đề 'tốc độ' mà tôi đã đề cập ban đầu. Quá trình tìm kiếm ngẫu nhiên trong hàng tỷ năm tiến hóa, giờ đây AI có thể thực hiện chỉ trong vài giờ hay vài ngày. Những vấn đề lớn mà nhân loại đối mặt như đại dịch, biến đổi khí hậu, bệnh nan y không còn đủ thời gian để chờ đợi tốc độ tiến hóa. Chúng ta cần 'bàn đạp' để giải quyết những vấn đề này, và thiết kế protein dựa trên AI là một ứng cử viên mạnh mẽ để thực hiện điều đó.

3. Tương lai được thiết kế: Y học và Môi trường, cùng cơ hội của Hàn Quốc

Dù công nghệ có tuyệt vời đến đâu, cuối cùng cũng phải giải quyết được các vấn đề trong cuộc sống của chúng ta thì mới ý nghĩa.

Công nghệ này không còn là khoa học viễn tưởng nữa. Ngay trong thời kỳ đại dịch COVID-19, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các protein nhân tạo có khả năng kết hợp cực mạnh và ổn định với virus, đóng góp vào việc phát triển vắc-xin và thuốc điều trị. Điều này cho thấy tiềm năng chính xác và mạnh mẽ hơn so với các dược phẩm kháng thể hiện có.

Tương lai mà thiết kế protein mở ra là vô cùng rộng lớn.

Y học cá nhân hóa: Có thể thiết kế các phương pháp điều trị ung thư chính xác như 'tên lửa thông minh', chỉ kết hợp với bề mặt tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến tế bào bình thường.
Tính bền vững: Có thể thiết kế các enzyme (protein) tùy chỉnh để phân giải PET nhựa, vốn khó phân hủy trong tự nhiên, góp phần giải quyết các vấn đề môi trường.
Vật liệu mới thế hệ tiếp theo: Khả năng phát triển 'vật liệu protein thông minh' thực hiện những chức năng chưa từng có như chuyển đổi ánh sáng thành điện hay lưu trữ thông tin.

Đây là cơ hội đặc biệt quan trọng trong bối cảnh Hàn Quốc. Hàn Quốc có khả năng sản xuất dược phẩm protein hàng đầu thế giới như Samsung Biologics hay Celltrion. Nếu kết hợp khả năng 'thiết kế' theo tiêu chuẩn toàn cầu, điều này có thể tạo ra sự cộng hưởng lớn.

Hơn nữa, Hàn Quốc là một trong những xã hội đang già hóa nhanh nhất thế giới. Công nghệ thiết kế protein cung cấp giải pháp chính xác cho các bệnh mãn tính như ung thư hay bệnh thoái hóa não, không chỉ tạo ra cơ hội kinh doanh mà còn có thể trở thành chìa khóa giải quyết các vấn đề xã hội quan trọng.

4. Đổi mới mở và Các câu hỏi trước mặt chúng ta

Tất nhiên, bất kỳ công nghệ mạnh mẽ nào cũng đều có mặt sáng và mặt tối.

David Baker, được hỗ trợ bởi TED Audacious Project, đang mở cửa cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới sử dụng tự do công nghệ và phần mềm đột phá này. Giống như Linux đã tăng tốc phát triển thông qua mô hình mã nguồn mở, ông tin rằng công nghệ dân chủ hóa sẽ thúc đẩy đổi mới thông qua trí tuệ tập thể.

Nhưng đồng thời, chúng ta cũng phải đặt câu hỏi. Làm thế nào để kiểm soát nguy cơ công nghệ mạnh mẽ này bị lạm dụng vào các mục đích xấu như phát triển vũ khí sinh học? Liệu tốc độ phát triển công nghệ có theo kịp được với sự đồng thuận xã hội và quy định đạo đức không?

Chúng ta được giao thêm nhiệm vụ 'thiết kế' điểm cân bằng giữa việc thúc đẩy đổi mới qua hệ sinh thái mở, thương mại hóa để thu hồi chi phí phát triển khổng lồ và đảm bảo an toàn để phòng tránh lạm dụng công nghệ.

Đây là lý do tôi gọi công nghệ này là 'kiến trúc ở cấp độ phân tử'. Nhân loại đã ngưỡng mộ thiết kế tự nhiên (tiến hóa) hàng tỷ năm, giờ đây chúng ta trở thành kiến trúc sư tự vẽ ra 'bản thiết kế có mục đích'. Đây không chỉ là công nghệ để làm ra thuốc tốt hơn và phát triển vật liệu tuyệt vời hơn, mà còn là lời mời gọi khổng lồ để tái thiết kế cách chúng ta tiếp cận sự sống, tốc độ giải quyết vấn đề và quan điểm về sự sáng tạo của chính mình.

TL;DR

'Thiết kế protein' do David Baker, người đạt giải Nobel Hóa học năm 2024, tiên phong là một công nghệ vượt xa phân tích protein tự nhiên và thiết kế các protein hoàn toàn mới không có trong tự nhiên bằng cách sử dụng máy tính và AI. Với sự phát triển của AI (như RFdiffusion), chúng ta có thể tạo ra protein mong muốn nhanh hơn so với tiến hóa, thể hiện tiềm năng giải quyết các vấn đề lớn của nhân loại trong nhiều lĩnh vực như vắc-xin COVID-19, thuốc ung thư tùy chỉnh, enzyme phân giải nhựa, và vật liệu thông minh tiên tiến.

Thiết kế protein là công nghệ sử dụng máy tính để thiết kế và tạo ra các protein mới thực hiện một chức năng mong muốn. Protein, cốt lõi của các quá trình sinh học, gấp lại thành cấu trúc ba chiều đặc trưng theo chuỗi axit amin, và thiết kế này khai thác nguyên lý đó theo hướng ngược lại. Tức là, xác định trước cấu trúc ba chiều để thực hiện chức năng mục tiêu, sau đó sử dụng mô hình học sâu AI và các công cụ khác để tính toán chuỗi axit amin hình thành cấu trúc đó và tạo ra protein mới.

Câu hỏi thường gặp:

Thiết kế protein là gì? — Thiết kế protein là công nghệ sử dụng máy tính để thiết kế và tạo ra từ đầu các phân tử protein mới có cấu trúc và chức năng không tồn tại trong tự nhiên.
Thiết kế protein được sử dụng như thế nào trong phát triển dược phẩm? — Bằng cách thiết kế protein chỉ liên kết chính xác với các phân tử gây bệnh cụ thể, có thể phát triển các vắc-xin hoặc thuốc chống ung thư có khái niệm hoàn toàn mới, làm giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị.
Vai trò của AI trong thiết kế protein là gì? — AI, đặc biệt là các mô hình học sâu, học dữ liệu cấu trúc protein dồi dào để nhanh chóng và chính xác tạo ra chuỗi axit amin mới cho protein có thể thực hiện chức năng mong muốn.
Tại sao David Baker nhận giải Nobel? — David Baker đạt giải Nobel Hóa học năm 2024 vì những rút kinh nghiệm lâu năm trong việc dự đoán cấu trúc ba chiều của protein và phát triển lĩnh vực thiết kế protein, nơi ông đã đóng góp phần lớn.
Thiết kế protein có thể giải quyết vấn đề nhựa không? — Có, bằng cách thiết kế enzyme (protein) mới có thể phân giải một cách hiệu quả các vật liệu không phân hủy như nhựa PET, ta có thể đóng góp vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm nhựa.