Zusammenfassung:
Am 5. November gab Anthropic die neuesten Ergebnisse seines KI-Modells Claude im Bereich der biologischen Forschung bekannt. Mit der Unterstützung von Claude löste das Forschungsteam des Unternehmens erstmals die dreidimensionale Struktur von Vault (Gewölbepartikeln), die in prokaryotischen Zellen aufgebaut sind, und verkürzte den Proteinpartikel-Reinigungsprozess, der ursprünglich etwa drei Tage dauerte, auf 90 Minuten. Claude beteiligte sich auch an vielen wissenschaftlichen Forschungsaktivitäten wie der Suche in Proteindatenbanken, dem Design von DNA-Konstruktionen und der Analyse von Kryo-Elektronenmikroskopie-Daten.
Vault ist ein großer hohler Proteinkomplex, der erstmals 1986 von Wissenschaftlern entdeckt wurde und in eukaryotischen Zellen, einschließlich des menschlichen Körpers, weit verbreitet ist. Obwohl Wissenschaftler es seit etwa 40 Jahren untersuchen, ist seine spezifische biologische Funktion noch nicht bestätigt.
Das Anthropic-Forschungsteam richtete seine Aufmerksamkeit dieses Mal auf Prokaryoten und Phagen, die Bakterien infizieren, in der Hoffnung, den Entstehungsmechanismus dieser mysteriösen Proteinstruktur durch einfachere biologische Systeme zu erforschen.
Während des Forschungsprozesses suchte Claude zunächst in einer Datenbank mit etwa 15 Milliarden vorhergesagten Proteinen nach Vault-bezogenen Proteinen und stellte fest, dass sie in 29 Bakterienstämmen und 4 Archaeenstämmen verbreitet waren, aber bei weniger als 1 % der Arten auftraten, die die Genomsequenzierung abgeschlossen hatten.
Anschließend untersuchte das Forschungsteam 44 Kandidatenproteine und schloss mit der Unterstützung von Claude den DNA-Konstruktionsentwurf und die experimentelle Optimierung ab. Letztendlich fanden die Forscher heraus, dass sieben der Proteine in der Lage waren, gewölbte Partikel zu bilden, und bestätigten die Strukturen von vier Partikeln durch Kryo-Elektronenmikroskopie.
Der Schwerpunkt dieser Analyse liegt auf einem von Phagen abgeleiteten Protein namens L05. Die Forscher fanden heraus, dass die durch seinen Aufbau gebildete Vault-Struktur 96 identische Proteinuntereinheiten enthält, während das menschliche Vault normalerweise aus 78 Hauptstrukturproteinuntereinheiten besteht.
Diese neu entdeckte Proteinstruktur ist etwa 54 Nanometer lang und 45 Nanometer breit. Obwohl es kürzer als das menschliche Gewölbe ist, vergrößert sich sein Innenvolumen um etwa 25 %, da seine Form eher einer Kugel ähnelt.
Was mehr Aufmerksamkeit verdient, ist Claudes Verbesserung der wissenschaftlichen Forschungseffizienz.
Die herkömmliche Vault-Partikelreinigung dauert normalerweise etwa 3 Tage. Claude unterstützte die Forscher bei der Optimierung des Versuchsplans mithilfe der Größenausschlusschromatographie und schlug vor, den Inhalt der aufgebrochenen Zellen direkt in die Chromatographiesäule zu laden, wodurch sich die Zeit von der Zellverarbeitung bis zur Vorbereitung der Mikroskopieproben letztendlich auf etwa 90 Minuten verkürzte.
In der anschließenden Strukturanalyse rief Claude über das interne Multiagentensystem die Open-Source-Software RELION auf und nutzte Rechenressourcen zur Verarbeitung der Kryo-EM-Daten. Unter der Anleitung menschlicher Forscher erstellte das Team in nur 34 Stunden das erste vollständige Strukturmodell, und die endgültige Strukturkarte wurde etwa eine Woche später fertiggestellt. Anthropic schätzt, dass die Arbeit bei herkömmlichen Verfahren typischerweise Wochen dauern würde.
Das gesamte Forschungsprojekt dauerte weniger als 4 Monate. Claude half den Forschern auch beim Entwurf von 15 Proteinvarianten und konstruierte durch die Duplizierung einiger sich wiederholender Segmente im Protein erfolgreich Vault-Partikel mit einem um etwa 20 % vergrößerten Innenvolumen.
Anthropic glaubt, dass diese Forschung nicht nur zum Verständnis des Aufbaumechanismus komplexer Proteinstrukturen beitragen wird, sondern auch eine Forschungsgrundlage für die zukünftige Verwendung von Vault als Nanoträger für die Enzymabgabe und andere Zwecke liefern könnte. Allerdings haben sich diese Einsatzmöglichkeiten noch nicht in der Praxis bewährt.
Die Forschung zeigte auch die Grenzen der KI bei der Teilnahme an wissenschaftlichen Experimenten auf. Anthropic gab bekannt, dass Claude einmal ein problematisches Zellkulturprotokoll entworfen hatte, was zu einer zweiwöchigen Verzögerung des Projekts führte. Bei der frühen Kryo-Elektronenmikroskopie-Datenverarbeitung übersprang Claude auch Standardschritte, um eine fehlerhafte Strukturkarte zu erstellen, die schließlich von Forschern entdeckt und korrigiert wurde.
Anthropic betonte, dass Claude nicht alle Forschungsarbeiten selbstständig durchführte, sondern Aufgaben wie Datenbanksuche, experimentelles Design und Datenverarbeitung unter Anleitung von Wissenschaftlern übernahm. Forscher müssen immer noch Urteile über Versuchsprotokolle und Analyseergebnisse fällen.
Darüber hinaus hat das Forschungsteam diese Vault-Partikel nur im E. coli-System im Labor konstruiert und noch nicht nachgewiesen, dass sie sich in den entsprechenden natürlichen Bakterien oder Phagen bilden. Auch die wahre biologische Funktion von Vault bleibt ein ungelöstes Rätsel.
Anthropic gab an, dass relevante Forschungsergebnisse als Vorabdruck an bioRxiv übermittelt wurden und plant, das Strukturmodell und die experimentellen Daten weiter offenzulegen.
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