Для создания новых генетических последовательностей исследователи использовали модель Evo, обученную на массиве данных, собранных на всех доменах жизни. На основе алгоритмов искусственного интеллекта были сформированы комбинации геномов, запрограммированные на уничтожение бактерий E. coli. В лабораторных условиях ученые синтезировали и протестировали порядка трехсот наиболее перспективных образцов. В результате 16 фагов оказались полностью функционирующими вирусами, не имеющими аналогов в дикой природе. Работа опубликована в журнале Science.
ИИ создал с нуля 16 вирусов, на естественное развитие которых эволюция потратила бы миллионы лет
Исследователи Arc Institute совместно с коллегами впервые применили языковую модель ИИ для проектирования жизнеспособных бактериофагов с нуля. Модель обучали на миллионах генетических последовательностей, чтобы она усвоила логику эволюции. Из тысяч сгенерированных вариантов 16 вирусов успешно «ожили» в лаборатории. Они уничтожают опасные штаммы кишечной палочки, открывая путь к созданию фаговых лекарств нового поколения.
На визуализации показана молекулярная структура одного из вирусов, созданных командой. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec2657
Бактериофаги — самые многочисленные биологические объекты на Земле, их общее количество превышает 10 в 31-й степени, что больше, чем всех остальных организмов вместе взятых. До эпохи антибиотиков именно фаготерапию активно использовали для лечения инфекций. Сегодня, на фоне глобального кризиса устойчивости бактерий к лекарственным препаратам, ученые вновь возвращаются к вирусам-убийцам, а ИИ помогает создавать их идеальные версии.
Схема показывает, как бактериофаги заражают бактериальные клетки (не в масштабе; бактериофаги намного меньше бактерий).
Один из созданных вирусов продемонстрировал структуру, очень далекую от естественных цепочек: совпадение с ближайшим аналогом составило 93% аминокислотной последовательности. На возникновение подобных изменений в ходе обычной природной эволюции потребовались бы миллионы лет. В ходе экспериментов смесь новых ИИ-вирусов успешно преодолела лекарственную устойчивость бактерий, с которой не смогли справиться известные природные аналоги.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Концептуальная схема для проектирования геномов бактериофагов с использованием искусственного интеллекта. Языковые модели, обученные на миллионах геномов, позволяют генерировать полные геномы фагов. Последовательности генерируются и оцениваются с помощью вычислительных методов с учетом критериев проектирования, основанных на фаге ΦX174 и его хозяине E. coli C. Наиболее перспективные проекты синтезируются химическим путем и тестируются в клетках-хозяевах, что позволяет получить жизнеспособные геномы фагов, отличающиеся от известных природных фагов, но сохраняющие специфичность к хозяину.
Это важнейший прорыв в создании адаптивных биопрепаратов против супербактерий, теряющих чувствительность к стандартным антибиотикам. В то же время технологический успех вызвал серьезную дискуссию в научном сообществе. По мнению биоэтиков, стремительное появление алгоритмов генеративного дизайна вирусов опережает развитие механизмов государственного контроля и безопасности.
Риски и границы применения
«Так вот ты какой, искусственный бактериофаг!». Ученые смотрят на вирус, созданный ИИ.
Использование искусственного интеллекта для конструирования биологических объектов неизбежно поднимает вопросы биозащиты. Хотя созданные бактериофаги поражают исключительно бактерии и абсолютно безопасны для человека, технология потенциально содержит скрытые угрозы.
Эксперты предостерегают от попыток применять аналогичные модели для проектирования эукариотических патогенов (например, бактерий), способных заражать людей, животных или растения. Подобные гибридные структуры могут оказаться устойчивыми к любым существующим медицинским средствам защиты.
Но независимые специалисты отмечают, что текущий уровень риска остается низким. На данный момент алгоритмы не способны создавать готовые патогены без длительной лабораторной проверки, а процент успешных жизнеспособных сборок пока крайне мал. Тем не менее, авторы работы призывают установить жесткие рамки безопасного использования биологического ИИ.
Загружаем