Ученые использовали искусственный интеллект для создания когерентных вирусных геномов и синтеза бактериофагов, способных убивать резистентные штаммы бактерий.
Созданы первые в истории вирусы, разработанные искусственным интеллектом (ИИ), и они способны находить и убивать штаммы кишечной палочки (E. coli). «Это первый случай, когда системы искусственного интеллекта способны писать последовательности генома», - говорит Брайан Хи, специалист по вычислительной биологии из Стэнфордского университета (США). «Следующий шаг - это жизнь, созданная ИИ», - говорит Хи, но его коллега Сэмюэл Кинг добавляет, что «для создания целого живого организма необходимо провести множество экспериментов».
Исследование Хи, Кинга и коллег было опубликовано на сервере препринтов bioRxiv 17 сентября и еще не прошло рецензирование, но авторы говорят, что оно демонстрирует потенциал ИИ для разработки биотехнологических инструментов и терапий для лечения бактериальных инфекций. «Надеюсь, что подобная стратегия сможет дополнить существующие стратегии фаговой терапии и когда-нибудь расширить терапевтические средства [для] борьбы с патогенами, вызывающими опасения», - отмечает Хи.
Модели искусственного интеллекта уже использовались для создания последовательностей ДНК и отдельных белков. Но создание целого генома гораздо сложнее из-за комплексных взаимодействий между генами и процессами репликации и регуляции генов. Сейчас искусственный интеллект способен помочь ученым манипулировать сложными биологическими системами, такими как целые геномы, утверждает Хи. «Существует множество важных биологических функций, доступ к которым возможен только при условии создания целых геномов».
Для проектирования вирусных геномов исследователи использовали Evo 1 и Evo 2 - модели искусственного интеллекта, которые анализируют и генерируют последовательности ДНК, РНК и белков. Сначала им понадобился шаблон дизайна - исходная последовательность, которая направляет модель искусственного интеллекта на создание генома с желаемыми характеристиками. Они выбрали ΦX174, простой одноцепочечный ДНК-вирус, содержащий 5 386 нуклеотидов в 11 генах и все генетические элементы, необходимые для инфицирования хозяев и репликации внутри них. Модели Evo уже были обучены на более чем 2 миллионах геномов фагов, но исследователи дополнительно обучили их - с помощью метода, называемого контролируемым обучением, - генерировать ΦX174-подобные вирусные геномы со специфической функцией заражения штаммов E.coli, особенно резистентных к антибиотикам.
Исследователи проанализировали тысячи сгенерированных ИИ последовательностей и сузили круг поиска до 302 жизнеспособных бактериофагов. Большинство кандидатов имели более чем 40-процентную нуклеотидную идентичность с ΦX174, но некоторые имели совершенно другие кодирующие последовательности. Исследователи синтезировали ДНК из разработанных ИИ геномов и вставили их в бактерий-хозяев для выращивания фагов. Затем эти фаги были экспериментально проверены на способность заражать и убивать E.coli. Около 16 из 302 бактериофагов, разработанных ИИ, проявили специфичность к E. coli и смогли заразить бактерию. Исследователи обнаружили, что комбинации фагов, разработанных ИИ, могут заражать и убивать три различных штамма E. coli, чего не мог сделать дикий тип ΦX174.
«Это был довольно неожиданный результат, который очень взволновал нас, потому что он показывает, что этот метод потенциально может быть очень полезен для терапевтических препаратов», - рассказал Кинг. «Это исследование - убедительный пример того, что возможно сегодня, и закладывает основу для более амбициозных приложений в будущем», - считает Питер Ку, специалист по вычислительной биологии из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (США). Он добавляет, что «это дает толчок для интересной области применения». Ку подчеркивает, что одной модели Evo пока недостаточно для разработки и создания вирусов без вмешательства, руководства и фильтрации со стороны специалистов. «Но я думаю, что как общая система, со всеми фильтрами на месте и всей системой и конвейером, который они разработали, она показывает, что это может быть подходом, который может привести к функциональным геномам», - добавляет он.
Существуют этические опасения по поводу использования искусственного интеллекта для разработки вирусов, способных нанести вред человеку. Но Керстин Гёпфрих, биофизик и специалист по синтетической биологии из Гейдельбергского университета в Германии, говорит, что эта проблема, известная как дилемма двойного назначения, не уникальна для ИИ, а всегда актуальна в биологии. "Я думаю, что в исследованиях в целом всегда есть дилемма двойного назначения. В ИИ нет ничего особенного и вы всегда можете использовать прогресс как в лучшую, так и в худшую сторону", - говорит она.
В статье авторы затронули вопросы биобезопасности. Они заявили, что исключили из обучающих данных моделей Evo вирусы, поражающие эукариоты, включая человека. Фаг ΦX174 и системы хозяев E. coli, которые они изучали, также непатогенны и имеют «долгую историю безопасного использования в молекулярно-биологических исследованиях», пишут исследователи в своей работе. Авторы надеются, что их подход может быть использован для безопасного создания вирусов, разработанных ИИ, для лечения различных заболеваний и проблем общественного здравоохранения, включая растущую проблему устойчивости бактерий. «Я думаю, что эта область определенно будет развиваться, и я очень рада этому», - делится Гёпфрих.
