Pomost pomiędzy sztuczną inteligencją a biologią molekularnąCzas czytania: 6 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Rozwój nauki i technologii

Jednymi z najszybciej rozwijających się gałęzi nauki, obok astronomii, są biotechnologia oraz biologia molekularna. Badania genetyczne pozwalają bowiem zarówno na lepsze poznanie historii różnych gatunków, w tym gatunków człowieka¹, jak i na coraz skuteczniejsze przewidywanie chorób oraz poznanie ich patomechanizmów². Możliwości badania struktury genów oraz znajomość ich biologicznego znaczenia pozwala także na coraz skuteczniejsze leczenie chorób za pomocą farmakologii lub zapobieganie im za pomocą celowanych szczepionek³.

W parze z rozwojem nauki idzie także rozwój w dziedzinie inżynieryjno-technicznej. W tym zakresie najszybciej rozwijają się technologie informacyjne oraz automatyka i robotyka⁴. Jednym z ciekawszych wynalazków inżynieryjno-technicznych jest technologia sztucznej inteligencji, która na podstawie ogromnej ilości danych wejściowych potrafi przeprowadzać rozmaite obliczenia lub symulacje i generować w ten sposób określone dane wyjściowe, które z kolei mogą stanowić istotny wkład w naukę, bowiem to właśnie dzięki sztucznej inteligencji można na przykład znacznie efektywniej badać strukturę Wszechświata czy przewidywać trójwymiarowy kształt białek⁵. U podstaw działania sztucznej inteligencji leży uczenie maszynowe, a wynalezienie sztucznych sieci neuronowych – inspirowanych układem nerwowym, a w szczególności mózgiem – pozwoliło na udoskonalenie procesów uczenia maszynowego, a przez to także na ulepszenie sztucznej inteligencji⁶.

Czy można stworzyć pomost pomiędzy biologią molekularną a sztuczną inteligencją?

Kwasy nukleinowe pełnią rolę nośników danych biologicznych. Ta właściwość jest coraz częściej wykorzystywana w kontekstach pozabiologicznych. Ze względu na to, że DNA pozwala na przechowywanie ogromnych ilości informacji w cząsteczce o bardzo niewielkich rozmiarach, to stanowi ona niemal doskonały nośnik danych⁷. Znane są już przykłady wykorzystania sieci neuronowych, które wykorzystywały DNA do przechowywania oraz przetwarzania informacji⁸.

Interdyscyplinarny zespół naukowców z Tokio oraz Paryża poszedł jednak o krok dalej. W artykule zatytułowanym Nonlinear Decision-making with Enzymatic Neural Networks [Procesy nieliniowego podejmowania decyzji z wykorzystaniem enzymatycznych sieci neuronowych]⁹, który w październiku 2022 roku ukazał się na łamach „Nature”, omawiają oni opracowaną przez nich sieć molekularną, zdolną do klasyfikowania złożonych sekwencji DNA, których nie można sklasyfikować za pomocą pojedynczej liniowej cechy. Przełomowe jest jednak przede wszystkim to, że utworzona sieć neuronowa nie tylko wykorzystuje DNA jako nośnik informacji, ale także w procesie komunikacji wykorzystuje enzymy kodowane przez to DNA. Sieć ta ponadto może tworzyć wielowarstwowe architektury pozwalające na nieliniowe klasyfikowanie dających się oddzielić regionów złożonych nici DNA. Dodatkowym atutem tej sztucznej sieci jest to, że posiada ona bardzo niewielkie rozmiary. Jest to więc samowystarczalna kompaktowa sieć molekularna zdolna do wydajnego przechowywania, przetwarzania oraz analizowania złożonych informacji. Jak zauważają autorzy, opracowany przez nich system sztucznych sieci molekularnych posiada ogromną moc obliczeniową przy ekstremalnej miniaturyzacji, co otwiera możliwości wyszukiwania i zarządzania złożonymi systemami molekularnymi. Może się to w znacznym stopniu przyczynić do lepszej diagnostyki medycznej (na przykład w płynnych biopsjach) oraz do tworzenia baz danych DNA zasilanych przez enzymy¹⁰.

Współpraca biologii i inżynierii

Tworzenie pomostu pomiędzy światem przyrody a inżynierią i technologią przybiera różnorakie formy – zarówno inspirowanie się anatomią i fizjologią roślin lub zwierząt w tworzeniu wynalazków¹¹, jak i wykorzystanie mechanizmów biologicznych jako źródła energii¹². Wydaje się jednak, że wynalezienie molekularnych sztucznych sieci neuronowych stanowi bardzo ważny krok w kierunku jeszcze wyraźniejszego zespolenia biologii i inżynierii, co może być korzystne dla obu tych gałęzi – wykorzystanie enzymów oraz mechanizmów biologicznych zwiększy efektywność przetwarzania danych, zaś zbudowana na tym technologia pozwoli na jeszcze lepsze poznawanie i klasyfikowanie struktur biologicznych, szczególnie w diagnostyce medycznej.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 27.11.2022

Literatura: