Entsyymien räätälöintiä koneoppimisen avulla
BioDesign-hanke kokoaa yhteen molekyylibiologian, synteettisen biologian, koneoppimisen ja tietotekniikan huippututkijoita. Hankkeessa tutkitaan entsyymien ja proteiinien toimintamekanismia, joka on biologian ja biotekniikan eräs suuri perustutkimuksellinen kysymys. Tutkimusryhmä pyrkii kehittämään laskennallisen mallin, jonka toimintaa ohjataan asiantuntijatiedon pohjalta.
”Generatiiviset mallit, kuten Chat-GPT ja Stable Diffusion, ovat avanneet ennennäkemättömiä mahdollisuuksia sisällöntuotannolle. Vaikka hankkeellamme ei ehkä ole aivan yhtä laajaa yleisöä, uskomme, että sen potentiaalinen vaikutus voi olla yhtä mullistava”, sanoo apulaisprofessori Vikas Garg Aalto-yliopiston tietotekniikan laitokselta.
Garg on tutkimuksessaan keskittynyt kehittämään koneoppimismalleja, jotka voisivat auttaa löytämään uusia proteiineja ja molekyylejä, joilla olisi joitain tavoiteltuja ominaisuuksia. Tutkimuksissa on kyse käänteisestä proteiinien laskostumisen ongelmasta. Vuonna 2018 Garg ja hänen kollegansa Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) arvostetussa Computer Science and Artificial Intelligence Labissa (CSAIL) onnistuivat syväoppimismallinsa avulla tuottamaan proteiinisekvenssejä, jotka taittuvat tiettyyn kolmiulotteiseen proteiinirakenteeseen.
Aalto-yliopistossa Garg on työskennellyt tiiviisti Kasken kanssa. Hiljattain julkaistussa tutkimuksessaan he kehittivät generatiivisen mallin, jonka avulla voidaan luoda uusia molekyylikandidaatteja, jotka muistuttavat reaalimaailman vastineitaan. Uudenlaisten räätälöityjen proteiinien ja molekyylien kehittäminen vaatii myös osaamista erilaisten ominaisuuksien erottelusta ja yhdistämisestä.
’Jos haluamme esimerkiksi rakentaa tehokkaampia akkuja pienemmällä hiilijalanjäljellä, ei ole aina mahdollista täydellisesti erottaa niitä tekijöitä, joista nämä ominaisuudet kumpuavat”, kertoo Garg. ”Olemme toisaalta edistyneet tämän ongelman ratkaisemisessa eräässä viimeaikaisessa tutkimuksessamme, joka käsittelee eriytetyn esittämisen koneoppimistekniikkaa (disentangled representation). Tällä tekniikalla on tutkimuksemme mukaan mahdollista ymmärtää piilevien generatiivisten tekijöiden monimutkaisia vuorovaikutussuhteita.”
Virtuaalilaboratoriot valjastavat tekoälyn asiantuntijoiden käyttöön
BioDesign-tutkimusryhmän tavoitteena on rakentaa virtuaalinen laboratorio, joka mahdollistaa ihmisen ja tekoälyn välisen yhteistyön. Virtuaalilaboratoriot ovat tekoälypohjaisia ympäristöjä, joissa tutkijat voivat toteuttaa simuloituja mittauksia tekoälyn avustamana. Näiden simulaatioiden tuloksia testataan fyysisissä molekyylibiologian laboratorioissa, jotka tuottavat kokeellista tietoa. Näillä tiedoilla voidaan parantaa virtuaalilaboratorion oppimis- ja ennustuskykyä, kun ne syötetään takaisin simulaatioihin.
”Virtuaalilaboratorio auttaa paitsi sisällyttämään automatisoiduista kokeista saatua uutta dataa, myös hyödyntämään ihmisasiantuntemusta, kun tekoälymallia ohjataan kohti parempia ratkaisuja”, sanoo Kaski, joka kehittää tekoälymenetelmiä ihmisen ja tekoälyn väliseen yhteistyöhön FCAI:ssa.
”Tämän työskentelysyklin kautta löydetyt uudet entsyymit voivat nopeuttaa nykyisiä kemiallisia reaktioita sekä mahdollistaa vaihtoehtoisia tapoja parempien materiaalien, akkujen, biolannoitteiden ja lääkkeiden syntetisoimiseksi”, Garg sanoo.
Synteettistä biologiaa pidetään EU:n ja Yhdysvaltojen biotalousstrategioissa keskeisenä kestävän tulevaisuuden mahdollistavana teknologiana. Suomella on myös hyvät edellytykset lyödä itsensä läpi alalla, sillä investoinnit ja kiinnostus biotaloutta kohtaan ovat kiihtymään päin.
”Suomessa on maailmanluokan osaamista sekä tekoälymenetelmien kehittämisessä että molekyylibiologiassa, jotka tukevat synteettisen biologian tutkimusta”, sanoo Aalto-yliopiston tietojenkäsittelytieteen professori Juho Rousu, jonka johtama tutkimusryhmä kehittää koneoppimismenetelmiä, -malleja ja -työkaluja pienten molekyylien tunnistamiseen.
”Hankkeen laajempana tavoitteena on pitää Suomi synteettisen biologian globaalissa eturintamassa ja siten mahdollistaa biotuoteteollisuus, joka palvelee kestävää bio- ja kiertotaloutta.”
BioDesign-hankkeeseen rekrytoidaan lisää tutkijoita! Lue lisää osoitteessa: https://www.aalto.fi/en/open-positions/doctoral-postdoctoral-and-research-fellow-positions-in-bio-design