يعمل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي على الارتقاء بالبيولوجيا التركيبية إلى مستويات جديدة من الابتكار. ويرى الباحثون إمكانات هائلة لتطوير أدوية ومركبات كيميائية جديدة، فيما يرى بعضهم أيضًا مخاطر محتملة.
يعتقد جيمس فيلد أن مختبره المؤتمت يقترب من تطوير دواء قوي جديد قادر على قتل الخلايا السرطانية بدرجة غير مسبوقة من الدقة. إلا أن هذا الدواء لم يبتكره أي من علماء الأحياء العاملين في مختبره، بل ولّده الذكاء الاصطناعي.
فيلد مهندس بروتينات يعمل في مجال البيولوجيا التركيبية، وهو تخصص يستخدم أحدث التقنيات لهندسة خلايا جديدة أو مكونات بيولوجية مبتكرة. وفي هذا المجال، يتحدث الباحثون كثيرًا عن دورة تُعرف باسم DBTL، وهي اختصار لمراحل التصميم والبناء والاختبار والتعلم. وتمثل هذه الدورة عملية تكرارية يجري خلالها تحسين المنتج النهائي، سواء كان جزيئًا أو سلالة جديدة من البكتيريا، بصورة متكررة إلى أن يكتسب الخصائص التي يبحث عنها العلماء. وتُعد شركة لاب جينيوس التي أسسها فيلد واحدة من مجموعة من الشركات الناشئة التي تقف في طليعة ثورة يتولى فيها الذكاء الاصطناعي بصورة متزايدة إدارة دورة التصميم والبناء والاختبار والتعلم من بدايتها إلى نهايتها.
ويجري هذا العمل داخل مختبر مؤتمت ومتطور تابع للشركة، يقع في مصنع سابق للبسكويت في جنوب لندن. وقد ظهرت مثل هذه المختبرات، المعروفة باسم «المختبرات البيولوجية الآلية»، للمرة الأولى خلال العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، عندما أدى الجمع بين تقنيات تعديل الجينات والآلات عالية الإنتاجية، القادرة على إجراء مئات التجارب في وقت واحد، إلى تسريع دورة التصميم والبناء والاختبار والتعلم بدرجات هائلة.
وغالبًا ما تتضمن التجارب التي تُجرى في المختبرات البيولوجية الآلية تعديل جزء من الحمض النووي، ثم إضافته إلى كائن حي مضيف، وغالبًا ما تكون البكتيريا الإشريكية القولونية أو الخميرة، بهدف دفعه إلى إنتاج جزيء مرغوب فيه، يمكن أن يكون أي شيء بدءًا من جسم مضاد ووصولًا إلى مكوّن يُستخدم في صناعة البلاستيك المستدام.
وكانت الخوارزميات جزءًا أساسيًا من المختبرات البيولوجية الآلية منذ بدايتها، إذ تُستخدم في إدارة تشغيل الآلات عالية الإنتاجية. لكن القطاع يقترب الآن من مرحلة أصبحت فيها نماذج الذكاء الاصطناعي متطورة بما يكفي لبرمجة الحمض النووي لإنتاج أدوية جديدة ومواد كيميائية صناعية، وهو مجال ناشئ يُعرف باسم SynBioXAI.
وبدلًا من اقتصار دوره على المساعدة في تشغيل الآلات، أصبح الذكاء الاصطناعي قادرًا على العمل بصورة تكرارية، والتعلم من النتائج، واقتراح مسارات جديدة للتجارب، مما قد يقلل الوقت اللازم لتطوير أدوية أو مواد كيميائية صناعية جديدة من سنوات إلى أشهر.
ووفقًا لبول فريمونت، الذي يرأس قسم البيولوجيا التركيبية في إمبريال كوليدج لندن، فإننا نقترب من نقطة قوية من «التقارب بين الأتمتة والبيانات والتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي». وكان فريمونت الرئيس المؤسس للتحالف العالمي للمختبرات البيولوجية الآلية، وهو مجموعة دولية من المختبرات البيولوجية الآلية الممولة من القطاع العام، أُطلقت في عام 2019 في مدينة كوبي اليابانية بمشاركة 16 عضوًا. وقد نمت المجموعة الآن لتضم أكثر من 40 عضوًا في أنحاء العالم، من الصين إلى المكسيك.
ومنذ إطلاق هذا التحالف، بدأت الدول تستثمر بسرعة في تطوير قدرات المختبرات البيولوجية الآلية. فعلى سبيل المثال، تنفق الولايات المتحدة 75 مليون دولار على تطوير خمسة مختبرات بيولوجية آلية جديدة، بينما أدرجت الصين التصنيع الحيوي والبيولوجيا التركيبية ضمن أولوياتها الاستراتيجية الأساسية في خطتها الخمسية للفترة من 2026 إلى 2030.
ويتمثل الهدف في هندسة علم الأحياء وبرمجة الخلايا لإنتاج أدوية ومنتجات صناعية جديدة، وهي تقنية يقول فريمونت إنها ستصبح «ضرورية للبشرية».
ومع ذلك، يعتقد أن هذا المجال لم يصل بعد إلى نقطة التقارب الكاملة. ويقول: «أعتقد أن هناك قدرًا هائلًا من العمل التقني الذي يتعين إنجازه لتحقيق الرؤية التي يسعى الناس إلى الوصول إليها».
وتتضمن التجارب التي تستخدم المختبرات البيولوجية الآلية غالبًا تعديل جزء من الحمض النووي ثم إضافته إلى كائن حي مضيف، وغالبًا ما تكون البكتيريا الإشريكية القولونية أو الخميرة، بهدف دفعه إلى إنتاج جزيء مرغوب فيه، يمكن أن يكون أي شيء بدءًا من جسم مضاد ووصولًا إلى مكوّن يُستخدم في صناعة البلاستيك المستدام.
وكانت الخوارزميات جزءًا أساسيًا من المختبرات البيولوجية الآلية منذ البداية، إذ تتولى إدارة تشغيل الآلات عالية الإنتاجية. لكن الصناعة تقترب الآن من مرحلة أصبحت فيها نماذج الذكاء الاصطناعي متطورة بما يكفي لبرمجة الحمض النووي لإنتاج أدوية جديدة ومواد كيميائية صناعية، في مجال ناشئ يُعرف باسم SynBioXAI.
وبدلًا من الاقتصار على المساعدة في تشغيل الآلات، أصبح الذكاء الاصطناعي قادرًا على العمل بصورة تكرارية، والتعلم من النتائج، واقتراح مسارات جديدة للتجارب، مما يقلل الوقت اللازم لتطوير الأدوية أو المواد الكيميائية الصناعية الجديدة من سنوات إلى أشهر.
ووفقًا لبول فريمونت، الذي يرأس قسم البيولوجيا التركيبية في إمبريال كوليدج لندن، فإننا نقترب من نقطة قوية من «التقارب بين الأتمتة والبيانات والتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي». وكان فريمونت الرئيس المؤسس للتحالف العالمي للمختبرات البيولوجية الآلية، وهو مجموعة دولية من المختبرات البيولوجية الآلية الممولة من القطاع العام، أُطلقت عام 2019 في مدينة كوبي اليابانية بمشاركة 16 عضوًا. وقد توسعت المجموعة الآن لتضم أكثر من 40 عضوًا في أنحاء العالم، من الصين إلى المكسيك.
ومنذ إطلاق التحالف، استثمرت الدول بسرعة في تطوير قدرات المختبرات البيولوجية الآلية. فعلى سبيل المثال، تنفق الولايات المتحدة 75 مليون دولار على تطوير خمسة مختبرات بيولوجية آلية جديدة، بينما أدرجت الصين التصنيع الحيوي والبيولوجيا التركيبية ضمن أولوياتها الاستراتيجية الأساسية في خطتها الخمسية للفترة من 2026 إلى 2030.
ويتمثل الهدف في هندسة علم الأحياء وبرمجة الخلايا لإنتاج أدوية ومنتجات صناعية جديدة، وهي تقنية يقول فريمونت إنها ستصبح «ضرورية للبشرية».
ومع ذلك، يعتقد أن المجال لم يصل بعد إلى نقطة التقارب الكاملة. ويقول: «أعتقد أن هناك قدرًا هائلًا من العمل التقني الذي يتعين إنجازه لتحقيق الرؤية التي يسعى الناس إلى الوصول إليها».
يساعد التعلم الآلي الباحثين على استخلاص كمية هائلة من البيانات التي يتم جمعها من خلال تسلسل الجينومات وتحويلها إلى مجموعة صغيرة من البيانات، يستخدمها العلماء بعد ذلك لتصميم تجربتهم التالية. وفي الوقت نفسه، تتيح المعدات المؤتمتة في المختبر البيولوجي الآلي اختبار العديد من المتغيرات في الوقت نفسه. ويقول سالمون: «أعتقد أن هذا غيّر مجال العلوم بصورة هائلة».
ويُعد تحقيق الأتمتة الكاملة لدورة التصميم والبناء والاختبار والتعلم باستخدام الذكاء الاصطناعي من البداية إلى النهاية الهدف النهائي في كثير من الأحيان لتطوير المختبرات البيولوجية الآلية، إلا أن التعقيد البيولوجي قد يقف عائقًا أمام ذلك. ويظهر هذا الأمر بصورة خاصة عندما يكون الناتج المطلوب كائنًا حيًا كاملًا، كما يوضح مايكل كوبكه، كبير مسؤولي الابتكار في شركة لانزا تك، ومقرها ولاية إلينوي. وتتخصص الشركة في استخدام البكتيريا لتحويل ثاني أكسيد الكربون وغازات النفايات الأخرى، بما في ذلك الانبعاثات الصادرة عن مصانع الصلب والكتلة الحيوية أو النفايات البلدية المحولة إلى غاز، إلى وقود ومواد خام لشركات الملابس مثل أديداس وإتش آند إم.
وتستخدم الشركة مختبرًا بيولوجيًا آليًا لإنتاج آلاف السلالات البكتيرية الجديدة واختبارها كل أسبوع. وهي تعمل على تحسين الكائنات الحية الدقيقة لجعلها أكثر كفاءة في تحويل ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الإيثانول أو تصنيع جزيئات أخرى مستهدفة. ويمكن استخدام هذه المنتجات في الوقود والتصنيع، ضمن السعي إلى بناء اقتصاد أكثر قدرة على إعادة تدوير الكربون.
وفي الوقت الحالي، يستخدم فريق كوبكه الذكاء الاصطناعي في ثلاثة أجزاء من دورة التصميم والبناء والاختبار والتعلم. فالذكاء الاصطناعي يساعد في تصميم إنزيمات جديدة، وبناء أجزاء الحمض النووي المطلوبة، وتفسير نتائج الاختبارات، أي مرحلة «التعلم» في الدورة. ويقول: «لم نصل بعد إلى حلقة مستقلة بالكامل»، إذ لا يزال يتعين على العلماء في الوقت الراهن أخذ هذه الاقتراحات والبدء بدورة الاختبار التالية. لكنه يعتقد أن العملية بأكملها قد تصبح مؤتمتة في المستقبل مع وجود حد أدنى من الإشراف البشري.
ويؤدي الذكاء الاصطناعي أيضًا دورًا حاسمًا في مرحلة التصميم داخل مختبر فيلد المؤتمت بالكامل، إذ يفتح المجال أمام تصاميم جديدة ربما لم يكن الإنسان ليتوصل إليها بسبب العدد الهائل من المعايير التي يستطيع الذكاء الاصطناعي أخذها في الاعتبار في الوقت نفسه. وتشمل هذه المعايير الخصائص الوظيفية لوحدات بناء الأجسام المضادة، وهندسة وحدات البناء داخل الجزيء النهائي، والخصائص الفيزيائية الحيوية مثل تجمعات الشحنات الموجبة والسالبة.
وبعد ذلك يستطيع الذكاء الاصطناعي دمج كل هذه البيانات للتنبؤ بوظيفة الجزيء وما إذا كان من الممكن تطويره بصورة عملية. ونتيجة لذلك، يقول فيلد إن ما يستطيع الذكاء الاصطناعي فعله هو «التجول في مساحات تصميم لم يكن البشر لينظروا إليها عادةً». وربما ليس من المستغرب، كما يضيف، أن «الجزيئات التي تخرج من عملية الاكتشاف لدينا تبدو غريبة جدًا».
ومن النتائج الواعدة لهذه العملية المنتج الرئيسي لشركة لاب جينيوس، وهو جسم مضاد يُعرف باسم LGTX 101، وهو دواء يمكنه تحفيز الجهاز المناعي لقتل الخلايا السرطانية بصورة انتقائية، مع الحفاظ على الخلايا السليمة في الوقت نفسه. وعلى خلاف الأدوية المشابهة الموجودة في السوق، يعمل LGTX 101 من خلال استخدام ثلاثة مكونات ارتباط تتعرف على بروتين نيكتين 4، وهو بروتين موجود في العديد من الخلايا السليمة، لكنه يوجد بكميات أكبر في بعض الخلايا الورمية.
وبما أن LGTX 101 يحتاج إلى الارتباط ببروتين نيكتين 4 في ثلاث نقاط قبل استدعاء خلية مناعية لإنهاء المهمة، تقول الشركة إنه كان في الاختبارات أكثر احتمالًا بأكثر من 70 ألف مرة لاستهداف خلية سرطانية مقارنة بخلية سليمة. وقد ثبت بالفعل أنه فعال في قتل الأورام لدى فئران زُرعت فيها سلالات من خلايا سرطان الثدي البشري، ومن المقرر أن تبدأ الشركة التجارب البشرية المبكرة في عام 2027.
وحتى الباحثون الذين لا يملكون الميزانية اللازمة لبناء مختبر بيولوجي آلي خاص بهم يمكنهم الاستفادة من هذه التكنولوجيا. فشركة غينكو بايووركس، ومقرها الولايات المتحدة، تدير نموذجًا يتيح استئجار خدمات المختبر من خلال مختبر نيبولا البيولوجي الآلي التابع لها في بوسطن.
والمختبر البيولوجي الآلي مؤتمت بالكامل، ويستخدم الذكاء الاصطناعي وأكثر من 100 روبوت لتصميم التجارب وتنفيذها وتحليلها. ويقول جيسون كيلي، الرئيس التنفيذي لشركة غينكو: «يضم 70 جهازًا علميًا مختلفًا. وكل شيء فيه تتحكم به البرمجيات». ويضيف: «لذلك، إذا أرسلت طلبًا برمجيًا إلى ذلك المختبر، فسيتم تنفيذ تجربتك».
وقد توسعت الخدمة الآن لتصل إلى المستخدمين عبر الإنترنت من خلال خدمة «المختبر السحابي» التابعة لشركة غينكو، التي أُطلقت في مارس من هذا العام. ويوضح كيلي: «كانت الفكرة هي: هل يمكننا أن نجعل هذه الخدمة متاحة أيضًا لأشخاص خارج المبنى لطلب إجراء تجربة؟»
ويعمل المختبر السحابي من خلال وكيل للذكاء الاصطناعي عبر الإنترنت يُدعى EstiMate، يتيح للعلماء تقديم تجاربهم بلغة بشرية والحصول على تقييم فوري وتقدير للتكلفة. ويقول كيلي إن هذه الخدمة تمثل وسيلة لإتاحة هذه التكنولوجيا للعلماء في أنحاء العالم الذين قد لا يتمكنون بخلاف ذلك من الوصول إلى مختبر بيولوجي آلي.
بل إن كيلي يتصور مستقبلًا يمكن فيه لعالم يعمل بالذكاء الاصطناعي أن يسمح حتى لغير المتخصصين في العلوم بإجراء التجارب. ويقول: «يمكنهم التفاعل مع عالم يعمل بالذكاء الاصطناعي، فيصمم لهم التجارب التي ستُجرى داخل المختبر المستقل، وعندها يصبح بإمكانهم ممارسة العلم».
لكن فتح أبواب هذه التكنولوجيا على نطاق واسع ينطوي أيضًا على مخاطر، بحسب ليما دي هارو، المتخصصة في الأمن الحيوي والعالمة في شركة ميرك للهندسة ومقرها كولورادو، ومؤلفة كتاب «الأمن الحيوي في عصر البيولوجيا التركيبية». فهي ترى أن ذلك يعني إتاحة التكنولوجيا لأشخاص في دول تفتقر إلى اللوائح اللازمة لمنع استخدامها لأغراض خبيثة، مثل تصنيع سلاح بيولوجي. وتقول: «هذا يجعل العالم بأسره عرضة للخطر، وليس تلك الدولة أو المنطقة وحدها».
وتحذر دي هارو أيضًا من احتمال تعرض المختبرات البيولوجية الآلية للاختراق، خصوصًا عندما تتم إدارتها بواسطة الذكاء الاصطناعي. وتقول إن وكيلًا للذكاء الاصطناعي تسيطر عليه حكومة معادية أو جماعة إرهابية «قد يختطف نظامك من دون علمك لمجرد تخريب تجاربك، وهو أمر قد يكون ضارًا في حد ذاته». وتضيف: «قد يسرقون بياناتك أو معلوماتك لاستخدامها لأغراضهم الخاصة، أو قد يحاولون اختطاف نظامك لإجراء تجارب لصالحهم من دون علمك».
وتكمن المشكلة في أن التكنولوجيا تتقدم بسرعة هائلة، إلى درجة أن الجهات التنظيمية تكافح لمواكبة هذا التطور. وتقول ماريلين دوغتروم، عالمة الفيزياء الحيوية من جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، والتي كانت منسقة مشاركة لتقرير صادر عن اللجنة الدولية لأخلاقيات البيولوجيا التابعة لليونسكو حول القضايا الأخلاقية المحيطة بالبيولوجيا التركيبية: «علينا أيضًا أن نفكر بسرعة أكبر في القضايا الأخلاقية التي قد يترتب عليها هذا التطور».
وأشار التقرير، الذي لفت إلى أن البيولوجيا التركيبية أصبحت تعتمد بصورة متزايدة على الذكاء الاصطناعي، إلى عدد من التوصيات التي تهدف إلى ضمان تطور هذا المجال بصورة مسؤولة، من بينها إنشاء هيئة توجيه عالمية ومنظمة للمراقبة ووضع إرشادات أخلاقية. وأملًا في تحفيز التحرك، تقدم المجموعة التقرير في الاجتماعات التي تجمع العلماء والحكومات والشركات، مثل ندوة «البيولوجيا التركيبية وأخلاقيات البيولوجيا» التي نظمتها بصورة مشتركة اللجنة الوطنية التركية لليونسكو وجامعة أجيبادم في تركيا في فبراير 2026.
وتقول دوغتروم إن «الإلحاح» يتمثل في «التفكير في المخاطر، والسلامة الحيوية، والقضايا الأخلاقية، وما الذي ينبغي فعله بهذه التكنولوجيا الجديدة، وكيف يمكن التأكد من أنها تعود بالنفع على الكوكب بأسره، وليس على جزء صغير جدًا منه».
