ИИ впервые спроектировал вирусы, которых не существует в природе: они уничтожили кишечную палочку
Искусственный интеллект впервые использовали не для копирования уже известных вирусов, а для разработки совершенно новых геномов. Созданные таким способом бактериофаги оказались жизнеспособными: они смогли заражать бактерии и разрушать клетки кишечной палочки.
Результаты эксперимента ученые представили в исследовании, опубликованном в журнале Science. Работа показывает, что современные нейросети способны анализировать не только отдельные участки ДНК, но и генетические инструкции, необходимые для создания целого вируса.
Исследованием занималась команда Arc Institute из Пало-Альто. Сначала специалисты обучили модель искусственного интеллекта Evo на огромном массиве генетических данных. В обучающую выборку вошли последовательности, полученные от животных, растений, микроорганизмов и вирусов. Всего система обработала около девяти триллионов нуклеотидов.
Нуклеотиды можно сравнить с буквами биологического алфавита. В ДНК используются четыре базовых обозначения - А, С, Г и Т. Их последовательность содержит инструкции по созданию белков и других молекул, необходимых для функционирования клетки или вируса. По принципу работы с такими последовательностями Evo отчасти напоминает языковые модели: система изучает закономерности в больших массивах данных, а затем прогнозирует наиболее подходящие комбинации элементов.
После общего обучения исследователи подготовили для Evo отдельный набор данных. В него включили 11 генов бактериофага Phi X-174 и примерно 15 тысяч генов его близких родственников. Этот вирус выбрали не случайно: ученые изучают его почти сто лет, а сам он заражает только кишечную палочку и не способен поражать клетки человека.
Следующим этапом стало создание новых вариантов вирусных геномов. Evo сгенерировала около 700 тысяч потенциальных последовательностей. Лабораторная проверка всех вариантов была невозможна, поэтому исследователи отобрали 285 наиболее перспективных образцов. На их основе специалисты синтезировали молекулы ДНК и ввели их в клетки кишечной палочки.
Большинство разработанных последовательностей не сработало. Бактерии продолжали размножаться, не демонстрируя признаков вирусной инфекции. Однако в отдельных образцах на поверхности бактериальной культуры начали появляться прозрачные зоны. Они указывали на то, что клетки разрушались под воздействием размножающихся фагов.
В результате ученые обнаружили 16 геномов, способных формировать полноценные вирусные частицы. ДНК внутри бактерий запускала производство белковой оболочки и других компонентов фага. После сборки вирусы покидали зараженные клетки, разрушая их, а затем переходили к новым бактериям.
Созданные фаги не были копиями природного Phi X-174. Они представляли собой новые сочетания генетических элементов, которых ранее не находили в живой природе. При этом многие из них сохраняли устойчивость и способность к размножению, сопоставимые с характеристиками естественных вирусов.
Отдельные искусственно созданные фаги уничтожали кишечную палочку эффективнее, чем природный Phi X-174. Это особенно важно для биотехнологии и медицины: бактериофаги рассматриваются как возможный инструмент борьбы с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Теоретически алгоритмы смогут помогать подбирать вирусы под конкретные виды микроорганизмов.
При этом речь не идет о вирусах, опасных для человека. Все полученные образцы были связаны с бактериофагом, который поражает только кишечную палочку. Они не приспособлены к заражению человеческих клеток, поэтому сами по себе не представляют угрозы для здоровья людей.
Однако исследование поднимает более широкий вопрос о биологической безопасности. Если искусственный интеллект способен проектировать жизнеспособные вирусные геномы, возникает риск его использования для создания опасных биологических агентов. Теоретически подобные методы могут применяться не только для полезных фагов, но и для разработки токсинов, патогенов или организмов с измененными свойствами.
Авторы работы подчеркивают, что эксперимент проходил в защищенной лаборатории, а ученые заранее выбрали безопасную модель. Кроме того, создание работающего вируса потребовало не только компьютерного расчета, но и сложной проверки в живых клетках. Большинство предложенных системой вариантов оказались неработоспособными.
Это обстоятельство показывает важное ограничение технологии. ИИ может предлагать многочисленные генетические последовательности, но далеко не каждая из них будет правильно функционировать в реальной биологической системе. На результат влияют структура белков, взаимодействие генов, особенности клетки-хозяина и множество других факторов, которые сложно предсказать даже при наличии больших объемов данных.
Тем не менее сам факт появления жизнеспособных искусственных фагов имеет большое научное значение. До сих пор нейросети в основном применяли для анализа генов, поиска мутаций и прогнозирования структуры белков. Теперь они демонстрируют способность работать с более сложной задачей - проектировать целые геномы с заданными биологическими свойствами.
В перспективе такие системы могут использоваться для создания новых средств против бактериальных инфекций, разработки инструментов генной инженерии и изучения эволюции вирусов. Ученые смогут проверять, какие сочетания генов обеспечивают устойчивость, размножение или способность заражать определенный тип клеток.
Одновременно потребуются строгие правила контроля. Для подобных исследований необходимы ограничения на используемые генетические последовательности, проверка целей эксперимента и независимая оценка биологических рисков. Особое значение имеет предотвращение доступа к проектированию вирусов, способных поражать человека, животных или сельскохозяйственные культуры.
Эксперимент с Evo стал доказательством того, что искусственный интеллект постепенно превращается из инструмента анализа в средство биологического конструирования. Созданные фаги пока относятся к безопасной категории и предназначены для уничтожения бактерий, однако технология уже показывает потенциал, который может иметь далеко идущие последствия для науки, медицины и биобезопасности.
