ИИ впервые создал бактериофаги, способные уничтожать устойчивые бактерии
Бактериофаги, полностью разработанные с помощью искусственного интеллекта, успешно уничтожили в лабораторных условиях штаммы кишечной палочки Escherichia coli, устойчивые к естественным бактериофагам. Учёные давно изучают бактериофаги как возможную основу терапии против бактерий, устойчивых к антибиотикам, однако теперь впервые были созданы бактериофаги, геномы которых полностью спроектировал искусственный интеллект. Полученные результаты открывают новые возможности для разработки бактериофагов, но одновременно вызывают вопросы, связанные с биобезопасностью.
Бактерии и вирусы постоянно эволюционируют, в том числе благодаря возникновению мутаций и приобретению новых генетических функций. Биологи уже давно изучают эту способность к адаптации, чтобы находить биологические механизмы, которые могут изменить медицину и биотехнологии. Однако даже самые простые вирусные геномы чрезвычайно сложны для целенаправленного изменения, и всего одна модификация может сделать синтетический геном нефункциональным.
Чтобы преодолеть это ограничение, учёные добились значительного прогресса в изменении отдельных генов, однако проектирование геномов целиком до сих пор оставалось практически недоступным. Группа исследователей решила эту проблему, применив искусственный интеллект для разработки искусственных бактериофагов на уровне полного генома.
Результаты исследования, опубликованные 6 августа в журнале Science, показывают, что несколько созданных таким способом геномов оказались функциональными в проведённых экспериментах. В частности, учёным удалось получить бактериофаги, способные уничтожать штаммы кишечной палочки, устойчивые к естественным фагам.
«Если бактерии становятся устойчивыми к одному фагу, препарат становится неэффективным», — объяснил Stanford Report Брайан Хи, профессор Arc Institute и Стэнфордского университета, один из авторов исследования. «Но если использовать несколько генетически различающихся фагов в одной смеси, бактериям будет сложнее выработать устойчивость сразу ко всему коктейлю».
От тысяч вариантов до коктейля из 16 бактериофагов
Для разработки новых бактериофагов Хи и его коллеги решили изучить фаг ΦX174. Используя фрагмент генома ΦX174 в качестве образца для обучения, разработанная исследователями языковая модель для геномов Evo2 создавала новые геномы, предназначенные для приобретения способности уничтожать устойчивый штамм E. coli.
Несмотря на небольшой размер — менее 6000 пар оснований против почти 3 миллиардов пар оснований в геноме человека, — геном фага ΦX174 остаётся сложным для расшифровки и проектирования. Одной из основных проблем при создании геномов целиком является необходимость формировать их нуклеотид за нуклеотидом, а затем доставлять полученные генетические конструкции внутрь бактериальных клеток.
Такой процесс требует много времени и значительных финансовых затрат. Evo2 была разработана для ускорения и удешевления этого процесса за счёт сокращения огромного количества потенциальных вариантов геномов и возможности отбирать только наиболее перспективные из них.
Модель искусственного интеллекта позволила выбрать 300 новых бактериофагов из нескольких тысяч созданных кандидатов. После проверки их способности воздействовать на устойчивую к фагам E. coli число кандидатов сократилось до 16. Согласно проведённым испытаниям, эти 16 бактериофагов оказались эффективнее естественного фага ΦX174 при уничтожении устойчивого штамма бактерий.
«В нашей статье представлено доказательство концепции: мы показали, что эта смесь из 16 фагов быстро преодолевает устойчивость, которую E. coli выработала к естественному фагу ΦX174», — заявил Хи.
Исследователи разработали подход, при котором языковые модели, обученные на миллионах геномов, способны генерировать полные геномы бактериофагов. Затем созданные последовательности оцениваются с помощью вычислительных методов по критериям, основанным на характеристиках фага ΦX174 и его хозяина E. coli. Наиболее перспективные последовательности синтезируются химически и проверяются в клетках-хозяевах.
В результате учёные смогли получить жизнеспособные геномы бактериофагов, отличающиеся от известных природных фагов, но сохраняющие специфичность к определённому хозяину.
Перспективы терапии столкнулись с вопросами биобезопасности
Evo2 доступна исследователям бесплатно в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом, что позволяет изучать её возможности для разработки новых геномов. Такой подход может иметь большое значение для терапевтических исследований, однако одновременно вызывает серьёзные опасения в области биобезопасности.
Пока неизвестно, можно ли применить аналогичный подход к другим вирусам, включая патогены, способные заражать людей или животных. Иными словами, подобные инструменты потенциально могут использоваться для создания новых геномов патогенов, которые способны обходить существующие системы биологической защиты и контроля.
«Хотя эта технология открывает большие перспективы для применения в науках о жизни, она также поднимает срочные вопросы биобезопасности. Возможность создавать вирусные геномы с помощью генеративного искусственного интеллекта теперь существует, однако необходимых механизмов регулирования для безопасного контроля этой технологии пока нет», — заявили Guardian Том Инглсби и Мориц Ханке из Центра медицинской безопасности Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе.
Хи признаёт, что модифицированные версии подобных инструментов теоретически могут быть использованы во вредоносных целях. При этом он подчёркивает, что существующие патогены пока представляют более серьёзную угрозу, чем потенциально созданные с помощью ИИ конструкции, поскольку уже существующие патогены легче получить и воспроизвести.
Исследование в журнале Science.