Бактеріофаги, розроблені за допомогою штучного інтелекту, здатні заражати та вбивати бактерій-господарів/Lee D. Simon/Science Photo Library
Американские ученые из Стэнфордского университета в Калифорнии использовали ИИ для создания вирусов, способных отслеживать и убивать штаммы кишечной палочки Escherichia coli (E. coli).
«Это первый случай, когда системы ИИ научились создавать когерентные последовательности в масштабе генома. Следующий шаг — это создание жизни с помощью ИИ. Мы надеемся, что подобная стратегия сможет дополнить имеющиеся методы фаговой терапии и в будущем расширить возможности терапии для борьбы с патогенами, вызывающими беспокойство«, — рассказывает специалист по вычислительной биологии из Стэнфорда Брайан Хай.
До этого модели ИИ уже использовались для генерации последовательностей ДНК, отдельных белков и многокомпонентных комплексов. Однако проектирование полноценного генома — гораздо более сложная задача, поскольку взаимодействия между генами, а также их репликация и регуляция очень сложны.
Сейчас ИИ способен помогать ученым манипулировать сложными биологическими системами, включая целые геномы. Для проектирования вирусных геномов исследователи использовали Evo 1 и Evo 2 — модели искусственного интеллекта, анализирующие и генерирующие последовательности ДНК, РНК и белков. Изначально исследователям был необходим шаблон проектирования — последовательность, которая направляет модель искусственного интеллекта к созданию генома с желаемыми характеристиками.
Был выбран бактериофаг phi X 174 — одноцепочечный ДНК-вирус, который содержит 5 тыс. 386 нуклеотидов в 11 генах и все генетические элементы для заражения хозяев и репликации внутри них. Модели Evo 1 и Evo 2 были предварительно обучены на более 2 млн фаговых геномов. Кроме этого исследователи дополнительно обучили ИИ с использованием метода контролируемого обучения для создания вирусных геномов, подобных phi X 174, со специфической функцией заражения штаммов E. coli, особенно устойчивых к антибиотикам.
Исследователи проанализировали тысячи последовательностей, сгенерированных ИИ, и сократили поиск до 302 жизнеспособных бактериофагов. Большинство потенциальных кандидатов имели более 40% идентичных с phi X 174 нуклеотидов, однако некоторые из них имели совсем другие кодирующие последовательности.
Исследователи синтезировали ДНК из геномов, сгенерированных моделями Evo 1 и Evo 2, и интегрировали эту ДНК в организм бактерий-хозяев для выращивания фагов. После этого фаги испытали на способность инфицировать и уничтожать E. coli.
По результатам испытаний, около 16 из 302 бактериофагов продемонстрировали специфичность к E. coli и смогли инфицировать эти бактерии. Исследователи также обнаружили, что комбинации фагов, созданных с помощью ИИ, способны инфицировать и уничтожать 3 различных штамма E. coli, на что был неспособен phi X 174.
Как отмечает специалист по вычислительной биологии из лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Лорел-Холлоу, в штате Нью-Йорк, Питер Ку, одной модели Evo пока недостаточно для разработки и создания вирусов без посторонней помощи ученых. В научной статье авторы рассмотрели вопрос биологической безопасности. Они утверждают, что исключили вирусы, которые поражают эукариотов, включая человека, из данных для обучения моделей Evo. Изученные ими системы фагов phi X 174 и E. coli также не были патогенными и имеют долгую историю безопасного использования в молекулярно-биологических исследованиях. Исследователи надеются, что их подход можно будет использовать для безопасного создания разработанных с помощью ИИ вирусов, которые будут лечить различные заболевания и решать проблемы общественного здравоохранения, включая проблему резистентности бактерий.
Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов bioRxiv
Источник: Nature
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.