مساهمة GPT‑5 في خفض تكاليف تخليق البروتين دون استخدام الخلايا

لقد لمسنا تقدمًا متسارعًا حققه الذكاء الاصطناعي في تخصصات كالرياضيات والفيزياء، حيث يسهل في كثير من الأحيان تقييم النظريات دون الاضطرار للتعامل مع الواقع الملموس. بيد أن علم الأحياء يتسم بطبيعة مغايرة؛ فالتقدم فيه يرتكز بالأساس على العمل المختبري، حيث يضطر العلماء لإجراء تجارب ميدانية تستهلك الكثير من الوقت والموارد المادية.

هذه الصورة بدأت تتغير بالفعل، حيث أصبحت النماذج الرائدة قادرة حاليًا على الارتباط المباشر بالأنظمة الآلية في المختبرات، واقتراح تجارب علمية وتنفيذها بأسلوب مكثف، ومن ثم استخلاص الدروس من النتائج وتحديد المسار المستقبلي. وفي معظم مجالات علوم الحياة، يمثل تكرار الدورات التجريبية العائق الأكبر أمام إحراز التقدم، لذا تأتي المختبرات الذاتية لكسر هذا الحاجز وإلغاء هذه القيود.

لقد أثبتنا في أعمال سابقة قدرة نموذج GPT‑5 على تطوير بروتوكولات المختبرات الرطبة عبر أسلوب التجريب بنظام الحلقة المغلقة؛ وهنا، نستعرض كيف يمكن للمنهجية نفسها أن تساهم في تقليل النفقات المتعلقة بإنتاج البروتينات.

من خلال تعاوننا مع Ginkgo Bioworks⁠(يفتح في نافذة جديدة)، ربطنا نموذج GPT‑5 بمختبر سحابي، وهو نموذج للمختبرات الرطبة المؤتمتة التي تعمل عن بُعد بواسطة البرامج، حيث تتولى الروبوتات إجراء التجارب وإعادة البيانات. وقد استفدنا من هذا الإعداد لرفع كفاءة عملية بيولوجية شائعة تُعرف بتخليق البروتين دون استخدام الخلايا (CFPS). وخلال ست دورات من التجريب بنظام الحلقة المغلقة، قام النظام بفحص ما يزيد عن 36,000 تكوين تفاعل فريد من تخليق البروتين دون استخدام الخلايا ضمن 580 لوح تجارب مؤتمتة. وبمجرد منح نموذج GPT‑5 القدرة على استخدام الحاسوب ومتصفح ويب والاطلاع على الأبحاث المختصة، نجح خلال ثلاث دورات فقط في تحقيق طفرة علمية جديدة في تخليق البروتين دون استخدام الخلايا بتكلفة زهيدة، مقلصًا النفقات بنسبة 40% (مع تحسن بنسبة 57% في تكاليف المواد الكيميائية/الكواشف)، كما توصل إلى تركيبات تفاعلية جديدة كليًا تتسم بمتانة عالية وقدرة على التكيف مع الظروف التشغيلية في المختبرات الذاتية.

تمثل عملية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا طريقة لإنتاج البروتينات بمعزل عن زراعة الخلايا الحية؛ فبدلًا من دمج الحمض النووي (DNA) داخل الخلايا والانتظار ريثما تقوم بتخليق البروتين، تعمل عملية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا على تفعيل آليات إنتاج البروتين ضمن مزيج خاضع للرقابة. وبناءً على ذلك، تُعتبر هذه الوسيلة أداة تطبيقية فعالة للنمذجة والاختبار السريع، حيث تمكّن الباحثين من تنفيذ تجارب متعددة بوتيرة متسارعة والحصول على نتائجها وقياسها في اليوم ذاته.

تُعد البروتينات ركيزة أساسية لما يقدمه علم الأحياء المعاصر، فالكثير من الأدوية الحيوية تعتمد بشكل أساسي على البروتينات، وكذلك الحال بالنسبة للعديد من أدوات التشخيص والاختبارات البحثية. وفي القطاعات الصناعية، تلعب البروتينات دور الإنزيمات التي تجعل التفاعلات الكيميائية أكثر رفقًا بالبيئة وأعلى كفاءة، حتى أنها تتوفر في مساحيق غسيل الملابس. ومن شأن تسريع إنتاج البروتين وخفض تكاليفه أن يتيح للعلماء اختبار أفكار متنوعة بوتيرة أسرع، وهو ما يؤدي بالتبعية إلى تقليل النفقات اللازمة لتحويل نتائج الأبحاث المبكرة إلى حلول واقعية يلمس أثرها الأفراد في كل يوم.

إن تقنية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا (CFPS) تُستخدم بفاعلية حاليًا في مثل هذه الدورات التجريبية المتكررة؛ غير أن العقبة الرئيسية تكمن في صعوبة تحسين أداء هذه التقنية، فضلًا عن كونها تصبح باهظة الثمن عند تطبيقها على نطاق واسع.

تعتمد عملية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا على مزيج معقد من العناصر المتفاعلة، تشمل قالب الـ DNA المشفر للبروتين المستهدف، ومستخلص الخلايا (وهو عبارة عن مزيج من الآليات الخلوية المستخلصة من داخل الخلايا)، ومجموعة واسعة من العناصر الكيميائية الحيوية مثل مصادر الطاقة والأملاح. ونظرًا لصعوبة الإحاطة بآلية عمل هذا النظام المتكامل وتحليل معطياته بشكل شامل، فقد استعانت أبحاث⁠(يفتح في نافذة جديدة) سابقة⁠(يفتح في نافذة جديدة) عديدة⁠(يفتح في نافذة جديدة) بنماذج متنوعة من تعلم الآلة في محاولة لتقليل التكاليف المرتبطة بإنتاج البروتين.

عادةً ما تتحدد أسعار تركيبات تخليق البروتين دون استخدام الخلايا والمجموعات التجارية الجاهزة بما يتوافق مع معدلات العمل اليدوي التقليدي. ولكن بما أن المختبرات الذاتية تستطيع تنفيذ آلاف التفاعلات في الوقت الذي يستغرقه الفريق البشري لإنجاز العشرات منها فقط، فإن تكلفة الكواشف تبرز عند هذا النطاق باعتبارها العامل المقيد الذي يحول دون التوسع بصورة أكبر.

من الصعب كذلك ضبط أداء تقنية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا بناءً على التخمين أو الحدس فحسب، نظرًا لأنها تتكون من خليط من العناصر المتفاعلة. وبالرغم من أن التعديلات البسيطة قد تكون مؤثرة، إلا أن النتيجة النهائية لا تكون متوقعة دومًا، ومن الصعب تحديد المزيج الأمثل دون تنفيذ تجارب واسعة النطاق. وعلى الرغم من مساهمة المحاولات السابقة في تقليل النفقات، إلا أن التطور يظل طفيفًا وتراكميًا لأن استقصاء كافة الخيارات المتاحة بشكل كامل يستهلك وقتًا وجهدًا بشريًا كبيرًا.

لقد جمعنا بين قدرات نموذج GPT‑5 والمختبر السحابي لدى Ginkgo Bioworks بهدف إنشاء نظام مستقل يعتمد على التجريب بنظام الحلقة المغلقة، وذلك لضبط الأداء والارتقاء بكفاءة عملية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا.

تولى نموذج GPT‑5 إعداد وتخطيط مجموعات من التجارب العلمية، بينما تولى المختبر مسؤولية تنفيذها وإجرائها، ومن ثم أُعيدت المخرجات والنتائج إلى النموذج مرة أخرى. وبناءً على هذه المعطيات، تمكن النموذج من اقتراح تفاصيل الدورة اللاحقة، حيث استمررنا في تكرار هذه الدورة التجريبية لست دورات كاملة.

بهدف إبقاء دورة التجريب متسقة مع الإمكانات التطبيقية للمختبرات الذاتية، استحدثنا آلية للتحقق البرمجي الحازم تسبق انطلاق أي تجربة معملية. وقد عملت هذه الآلية على ضمان أن تكون كافة التجارب المقترحة من قِبل الذكاء الاصطناعي قابلة للتطبيق الفعلي فوق منصة الأتمتة المستخدمة. وقد ساهم هذا الإجراء في تجنب 'التجارب النظرية'؛ وهي تجارب قد تبدو مقنعة عند صياغتها نصيًا، إلا أنها تظل غير قابلة للتحقيق في سياق سير العمليات الروبوتية الآلية.

خلال دورة العمل الكاملة، أجرى النظام ما يزيد عن 36,000 عملية تخليق للبروتين دون استخدام الخلايا موزعة على 580 لوح تجارب مؤتمتة. وتعد ضخامة هذا المقياس جوهرية لأنها تتيح استنباط الأنماط المتكررة؛ فالتجارب الفردية في علم الأحياء غالبًا ما تشوبها العشوائية وتفتقر للدقة. ومن هنا، تبرز أهمية سعة المعالجة العالية والدورات التجريبية المتكررة كوسيلة لاستخلاص النتائج الدقيقة من بين البيانات العشوائية. وفور تزويد نموذج GPT‑5 بالمراجع العلمية اللازمة والأدوات المطلوبة، نجح في غضون ثلاث دورات تجريب وخلال شهرين فقط في تحقيق إنجاز غير مسبوق، متمثلًا في تقليص تكاليف إنتاج البروتين بنسبة 40% مقارنة بأفضل النتائج المسجلة سابقًا⁠(يفتح في نافذة جديدة).

تبيّن لنا أن أوجه التطوير قد تحققت بفضل اكتشاف تركيبات تتفاعل فيما بينها بشكل جيد، وتحافظ على كفاءتها عند تطبيقها في بيئات الأتمتة ذات سعة المعالجة العالية.

وتبيّن لنا أن نموذج GPT‑5 استطاع اكتشاف تركيبات تفاعلية زهيدة التكلفة لم يسبق للبشر تجربتها وفقًا لهذه التهيئة. ورغم أن تقنية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا كانت محل بحث لسنوات، فإن فضاء الاحتمالات للمزيجات المحتملة لا يزال هائلًا. إن القدرة على اقتراح وتنفيذ آلاف التكوينات بوتيرة متسارعة تتيح اكتشاف مناطق تطبيقية فعالة يصعب رصدها عبر طرق العمل اليدوية التقليدية.

وتبيّن لنا كذلك أن هناك فرقًا جوهريًا بين التجارب ذات سعة المعالجة العالية التي تُجرى على الألواح المؤتمتة وبين تلك التجارب اليدوية المختبرية التقليدية؛ فعملية التزويد بالأكسجين تكون أقل عادةً في نماذج التفاعل ذات سعة المعالجة العالية، كما تتباين آليات المزج والأبعاد الهندسية للوسط التجريبي. إن أغلب عمليات تخليق البروتين دون استخدام الخلايا تحقق إنتاجية أعلى في أنابيب الاختبار عنها في أطباق المعايرة الدقيقة، نظراً لأن المقاييس الأكبر تسمح بتوافر أفضل للأكسجين وامتزاج أجود للعناصر. ومع ذلك، نجح نموذج GPT‑5 في طرح تفاعلات مخصصة للألواح ذات الأحجام الصغيرة تخطت أفضل النتائج المسجلة سابقًا، وذلك بمجرد تزويده بحاسوب لتحليل المعطيات ومتصفح لاستقصاء الأبحاث العلمية المرجعية. وإجمالًا، استنبط نموذج GPT‑5 مزيجًا من الكواشف التي أثبتت كفاءتها في ظل قيود سعة المعالجة العالية، ومن ضمنها تركيبات تمتاز باستقرار عالٍ حتى في حالات انخفاض الأكسجين التي تسود غالبًا في تجهيزات المختبرات الذاتية.

بالإضافة إلى ذلك، اكتشفنا أن إجراء تعديلات بسيطة على أنظمة التنظيم الكيميائي، وعناصر استعادة الطاقة، ومركبات البولي أمينات، قد أحدث نتائج قوية جدًا مقارنة بتكلفتها المنخفضة. ومع أن هذه العناصر ليست هي المعايير التي يلجأ إليها العلماء عادةً في المقام الأول، إلا أن استخدام أنظمة الأتمتة ذات سعة المعالجة العالية جعل منها فرضيات تستحق الدراسة والبحث بدلًا من التعامل معها كحقائق مسلّم بها في خلفية التجارب.

وأخيرًا، فإن بنية التكاليف ذاتها هي ما صاغ جوانب الأهمية في هذا البحث؛ إذ يذهب الجزء الأكبر من نفقات تقنية تخليق البروتين دون استخدام الخلايا إلى مستخلص الخلايا والـ DNA. وبناءً عليه، يمثل رفع مستوى الإنتاجية الاستراتيجية الأكثر فاعلية وتأثيرًا؛ فحينما تنجح في مضاعفة كمية البروتين المستخلصة مقابل كل وحدة من المواد الأولية المكلفة، فإنك تحرز تطورًا ملموسًا في الجانب الاقتصادي قبل الالتفات إلى محاولات التوفير الجانبية الضئيلة في مجالات أخرى.

لقد جرى استعراض هذه النتائج باستخدام بروتين واحد فقط وهو sfGFP، وضمن نظام واحد لتخليق البروتين دون استخدام الخلايا. وبناءً عليه، تظل مسألة تعميم هذا النهج ليشمل بروتينات متنوعة وأنظمة تخليق البروتين الأخرى موضوعًا يتطلب مزيدًا من البحث والبرهنة.

إن عمليات التزويد بالأكسجين والشكل الهندسي لبيئة التفاعل تترك أثرًا بالغًا على حجم العائد الإنتاجي، وهي عناصر تتغير عادةً بتغير نطاقات العمل التجريبي. وقد تتأثر بعض جوانب التطوير التي جرى التوصل إليها بهذه الظروف تحديدًا، لذا فإن استيعاب مدى هذا التأثر وحساسيته يعد جزءًا أساسيًا من المرحلة المقبلة للعمل.

تطلبت عملية تطوير بروتوكولات العمل ومناولة الكواشف رقابة بشرية؛ فمع أن النظام يمتلك القدرة على تصميم التجارب وتحليل مخرجاتها، إلا أن الأنشطة المختبرية تظل مرتبطة بجوانب تطبيقية دقيقة تستلزم وجود كوادر فنية متمرسة.

نخطط لتوسيع نطاق استخدام تقنيات التحسين المرتبطة بالمختبر لتشمل تدفقات عمل بيولوجية إضافية، إيمانًا منا بأن تسريع وتيرة الدورات التجريبية هو المفتاح لتحقيق طفرات علمية. ونحن نرى في المختبرات الذاتية شريكًا متممًا لنماذج الذكاء الاصطناعي؛ إذ تبرع النماذج في صياغة المخططات، لكن يظل العمل البيولوجي رهنًا بالفحص والتكرار الميداني. وبناءً عليه، فإن استكمال الحلقة بين توليد الأفكار وإجراء التجارب هو المنهج الذي يضمن تحويل المقترحات النظرية إلى مخرجات واقعية.

بينما نعمل على تسريع التقدم العلمي بشكل آمن ومسؤول، فإننا نسعى في الوقت نفسه إلى تقييم المخاطر وتقليلها، ولا سيما تلك المرتبطة بالأمن الحيوي. وتُظهر هذه النتائج أن النماذج قادرة على التفكير والاستنتاج داخل المختبرات الرطبة لتحسين البروتوكولات، وهو ما قد يترتب عليه تداعيات في مجال الأمن الحيوي نقوم بتقييمها والتخفيف من حدتها من خلال إطار الجاهزية⁠. نحن ملتزمون ببناء⁠ ضمانات ضرورية ودقيقة على مستوى النموذج والنظام للحد من هذه المخاطر، إلى جانب تطوير تقييمات ترصد المستويات الحالية لهذه القدرات.

نتوجه بالشكر والتقدير لشركائنا في Ginkgo Bioworks وكافة الأفرقة التي شاركت في تصميم وإدارة ودعم المختبر السحابي الآلي الذي كان حجر الزاوية في إنجاز هذا البحث.