Искусственный интеллект впервые помог создать жизнеспособный бактериофаг

Международная группа исследователей из Arc Institute, Стэнфордского университета и ряда других научных центров опубликовала в журнале Science результаты исследования, в котором геномная языковая модель впервые была использована для проектирования жизнеспособных бактериофагов. После синтеза предложенных искусственным интеллектом геномов исследователи получили вирусы, способные инфицировать и уничтожать штамм Escherichia coli, устойчивый к природному бактериофагу ΦX174.

Авторы называют эту работу первым успешным примером создания полностью синтетического генома бактериофага с использованием большой языковой модели, после чего полученные вирусы были экспериментально подтверждены как жизнеспособные.

Геномная языковая модель для проектирования вирусов

В основе исследования лежит разработанная ранее геномная языковая модель Evo, обученная на огромном массиве генетических данных. Для новой работы исследователи дополнительно адаптировали модель, используя более 14 тыс. геномов бактериофагов семейства Microviridae, поражающих Escherichia coli и другие бактерии.

После обучения модели было предложено создать новые варианты генома бактериофага ΦX174. При этом алгоритм не воспроизводил существующие последовательности, а генерировал новые варианты, сохраняя их биологическую функциональность.

Полученные последовательности были химически синтезированы, после чего исследователи собрали вирусные частицы и проверили их свойства в лабораторных условиях.

Шестнадцать новых бактериофагов оказались жизнеспособными

Как отмечают авторы исследования, для экспериментальной проверки были выбраны несколько сотен сгенерированных геномов. После лабораторного отбора исследователи получили шестнадцать новых бактериофагов, которые успешно инфицировали и уничтожали штамм E. coli, устойчивый к природному вирусу ΦX174.

По словам авторов, результаты демонстрируют, что большие языковые модели способны проектировать не только отдельные гены или белковые последовательности, но и полноценные вирусные геномы, сохраняющие способность к репликации и инфицированию бактериальных клеток.

Новые возможности для фаговой терапии

Одной из главных областей применения подобных технологий может стать разработка бактериофагов для борьбы с антибиотикорезистентностью.

Интерес к фаговой терапии существенно вырос в последние годы на фоне увеличения числа инфекций, вызванных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью. В отличие от антибиотиков бактериофаги способны избирательно поражать определенные виды и штаммы бактерий, практически не влияя на нормальную микрофлору.

Авторы исследования полагают, что использование генеративных моделей позволит значительно ускорить поиск новых бактериофагов и сократить время разработки кандидатов для последующих лабораторных исследований.

Возможности технологии не ограничиваются бактериофагами

Исследователи отмечают, что разработанный подход потенциально может применяться и к другим объектам синтетической биологии.

По их мнению, большие геномные языковые модели способны стать инструментом проектирования различных генетических конструкций, включая вирусные векторы, используемые в генной терапии, а также других биологических систем, для которых критически важно сохранение функциональности генома.

Вопросы биобезопасности

Отдельный раздел публикации посвящен вопросам безопасного использования подобных технологий.

При обучении модели не использовались геномы человека и вирусов, способных инфицировать людей. По их мнению, это существенно снижает риск создания потенциально опасных патогенов в рамках данной системы.

Вместе с тем исследователи отмечают, что дальнейшее развитие генеративных моделей для проектирования биологических систем потребует совершенствования механизмов биобезопасности и ответственного регулирования подобных исследований. Эти вопросы, как отмечается в статье, будут приобретать все большее значение по мере развития технологий искусственного интеллекта в области синтетической биологии.