Σε μια πρωτοποριακή έρευνα-ορόσημο που παρουσιάστηκε στο bioRxiv, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής ερευνητές από το Ινστιτούτο Arc στην Καλιφόρνια και το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ χρησιμοποίησε εξελιγμένα μοντέλα γλώσσας γονιδιώματος (Evo-1 και Evo-2) για να σχεδιάσει από το μηδέν πλήρη, λειτουργικά γονιδιώματα βακτηριοφάγων, δηλαδή ιών που μολύνουν βακτήρια τα οποία δεν απαντώνται στη φύση.
Πρόκειται για τον πρώτο επιτυχημένο γενετικό σχεδιασμό και τη δημιουργία ζωντανών, λειτουργικών οργανισμών από υπολογιστικό σύστημα, που προκαλεί σοκ και δέος μαζί, καθώς ανοίγει νέους ορίζοντες στην συνθετική βιολογία και την ανάπτυξη εξατομικευμένων θεραπειών.
Η ομάδα επικεντρώθηκε στον σχεδιασμό παραλλαγών του ΦX174, ενός καλά μελετημένου, μη παθογόνου βακτηριοφάγου με μικρό γονιδίωμα (11 γονίδια).
Χρησιμοποιώντας ως στόχο τον μη παθογόνο ξενιστή του φάγου, το E. coli C, η ομάδα ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο υπολογιστικό πλαίσιο που συνδύαζε τη γενετική μοντελοποίηση με συστηματικούς περιορισμούς σχεδιασμού.
Τα μοντέλα AI εκπαιδεύτηκαν σε περίπου 15.000 γονιδιώματα της οικογένειας βακτηριοφάγων Microviridae και κατανόησαν τις εξελικτικές συνδέσεις που επιτρέπουν τη λειτουργικότητα ολόκληρων γονιδιωμάτων. Με βάση αυτή τη γνώση, η τεχνητή νοημοσύνη παρήγε χιλιάδες νέες αλληλουχίες που δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ στη φύση.
Από αυτές, οι επιστήμονες επέλεξαν 302 υποψήφιους ιούς για εργαστηριακή σύνθεση και πειραματική αξιολόγηση. Το αποτέλεσμα ήταν συγκλονιστικό: 16 από αυτούς αποδείχθηκαν πλήρως βιώσιμοι και λειτουργικοί, πολλοί με σημαντικές διαφορές από τους φυσικούς και με ορισμένες πρωτεΐνες να μοιράζονται ομοιότητα αμινοξέων κατά μέσο όρο 63% με φυσικές αντίστοιχες. Η ανάλυση με κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία έδειξε ότι η AI μπορούσε να ενσωματώσει και πρωτεΐνες συσκευασίας DNA από εξελικτικά απομακρυσμένους ιούς, χωρίς να χάσουν τη λειτουργικότητά τους.
Οι νέοι βακτηριοφάγοι που σε ανταγωνιστικά πειράματα απέδωσαν καλύτερα από το φυσικό πρότυπο ΦX174, δεν περιορίστηκαν στο να λειτουργούν. Κάποιες παραλλαγές τους (Evo-Φ69, Evo-Φ100 και Evo-Φ111) ήταν οι κορυφαίες σε πολλαπλούς δείκτες «φυσικής κατάστασης», συγκριτικά με τον φυσικό ιό. Μια από αυτές έδειξε ταχύτερη και ισχυρότερη καταστροφή των βακτηριακών πληθυσμών, φτάνοντας στα ελάχιστα επίπεδά τους σε 135 λεπτά, ενώ ο ΦX174 χρειαζόταν 180 λεπτά.
Το πιο εντυπωσιακό ήταν η ικανότητα των τεχνητά σχεδιασμένων ιών να υπερβαίνουν την βακτηριακή αντίσταση. Ενώ τα στελέχη E. coli ήταν ανθεκτικά στον ΦX174, ένα κοκτέιλ των AI-designed βακτηριοφάγων ανέστειλε την ανάπτυξή τους μέσα σε 1-5 κύκλους, κάτι που ο φυσικός ιός δεν μπόρεσε να πετύχει.
Η ανάλυση των γονιδιωμάτων έδειξε ότι οι επιτυχείς παραλλαγές προέκυψαν μέσω ανασυνδυασμού και μεταλλάξεων πολλαπλά σχεδιασμένων ιών, κυρίως σε πρωτεΐνες της επιφάνειας του ιού που είναι υπεύθυνες για τη σύνδεσή του με τον ξενιστή, υπογραμμίζοντας τη δυνατότητα της AI να εξερευνήσει «άγνωστα» εξελικτικά μονοπάτια, πέρα από τη φυσική επιλογή.
Οι ερευνητές δίνουν έμφαση σε ισχυρά πλαίσια ασφαλείας που υποστηρίζουν το έργο τους, συμπεριλαμβανομένων των υπολογιστικών διασφαλίσεων εντός των ίδιων των μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης. Τα δεδομένα εκπαίδευσης απέκλεισαν σκόπιμα τους ευκαρυωτικούς ιούς, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων παθογόνων, ενώ τα πειραματικά πρωτόκολλα ακολούθησαν τις καθιερωμένες οδηγίες βιοασφάλειας για την έρευνα βακτηριοφάγων.
Κοιτώντας μπροστά, η ομάδα οραματίζεται εφαρμογές που επεκτείνονται πέρα από τη φαγο-θεραπεία, ώστε να περιλαμβάνουν ευρύτερα βιοτεχνολογικά εργαλεία και ενδεχομένως μεγαλύτερα και πιο σύνθετα γονιδιώματα. Η μεθοδολογία θα μπορούσε να επιταχύνει την ανάπτυξη προσαρμοστικών αντιμικροβιακών στρατηγικών και να επιτρέψει τη συστηματική εξερεύνηση των αρχών εξελικτικού σχεδιασμού.
Η έρευνα καταδεικνύει ότι ο γενετικός σχεδιασμός που βασίζεται στην Τεχνητή Νοημοσύνη μπορεί να γεφυρώσει με επιτυχία το χάσμα μεταξύ της υπολογιστικής πρόβλεψης και της πειραματικής επικύρωσης στη συνθετική βιολογία, προσφέροντας νέες οδούς για τη δημιουργία λειτουργικών βιολογικών συστημάτων με επιθυμητές ιδιότητες.
Ωστόσο, η γραμμή που χωρίζει την επιστημονική πρόοδο από την πιθανή απειλή γίνεται ολοένα πιο λεπτή, γιατί για πρώτη φορά στην ιστορία, ένας αλγόριθμος δεν αναλύει απλώς τη ζωή, αλλά τη σχεδιάζει κιόλας.
