AI dizajnirala 16 funkcionalnih virusa koji napadaju bakterije, objavljeno u Scienceu

Znanstvenici su uz pomoć generativne umjetne inteligencije prvi put dizajnirali čitave virusne genome, a zatim ih proizveli u laboratoriju i dobili 16 funkcionalnih bakteriofaga. Riječ je o virusima koji napadaju bakterije, a rezultati rada objavljeni su u časopisu Science nakon što su prethodno prošli recenziju.

Istraživanje je predvodio dr Brajan Haj sa Univerziteta Stanford. U radu su korišteni modeli Evo 1 i Evo 2, opisani kao svojevrsni jezički modeli za genetički kod. Dok veliki jezički modeli uče odnose između riječi, ovi modeli uče obrasce u sekvencama DNK. Guardian navodi da su osnovni modeli trenirani na genetičkim podacima više od dva milijuna bakteriofaga, a potom dodatno usmjereni na 14.466 sekvenci iz porodice Microviridae kako bi mogli stvarati genome slične bakteriofagu ΦX174.

ΦX174 je odabran zbog veličine i zbog posebnog mjesta u istoriji genetike. Dovoljno je mali da ga je moguće laboratorijski sintetizovati, ali i dovoljno složen da bude ozbiljan test. Taj bakteriofag je 1977. postao prvi organizam čiji je cijeli genom sekvenciran, a 2003. i prvi čiji je cijeli genom kemijski sintetizovan. Istraživači su saželi razvoj idejom da je nauka najprije naučila čitati DNK, zatim je pisati, a sada i dizajnirati.

Prema navodima iz rada, AI je generisala hiljade mogućih genoma, nakon čega su istraživači odabrali 285 dizajna za laboratorijsko testiranje. Samo 16 kandidata pokazalo se funkcionalnim, što znači da su se mogli reprodukovati i napadati ciljane bakterije. Proces je i dalje daleko od savršenog, jer većina prijedloga nije funkcionisala, ali tih 16 uspješnih virusa pokazalo je da model može predložiti cijeli novi genom koji nakon fizičke izrade zaista obavlja biološku funkciju.

Posebno je zanimljiv dio istraživanja u kojem su znanstvenici bakterije učinili otpornim na prirodni ΦX174. Arc Institute piše da je stvoreno nekoliko sojeva E. coli otpornih na njega i da ih sam prirodni bakteriofag više nije mogao uspješno napasti. AI dizajnirani kokteli ipak su uspjeli savladati tu otpornost. The Guardian, izvještavajući o konačnom radu u Scienceu, također navodi da su kombinacije novih virusa uspjele nadvladati otpornost kod testiranih sojeva E. coli.

Važno je da u ovom eksperimentu nije dokazano da su korištene bakterije bile otporne na antibiotike. Bile su otporne na prirodni bakteriofag. Potencijal ove tehnologije za liječenje infekcija otpornih na antibiotike proizlazi iz šire ideje fagoterapije, a ne iz toga da je u ovom radu izliječena infekcija otporna na antibiotike. Autori navode da bi mogućnost brzog dizajniranja genoma, njihovog prilagođavanja određenim bakterijama i prevladavanja otpornosti mogla transformisati fagoterapiju i proširiti biotehnološke mogućnosti.

Zbog tvrdokornih bakterijskih infekcija fagoterapija se ponovo nalazi u centru interesa medicine. Bakteriofagi su virusi specijalizovani za napad na bakterije: vežu se za bakterijsku ćeliju, koriste njene mehanizme za vlastito umnožavanje i mogu je na kraju razoriti. Profesor Stiven Abedon sa Univerziteta Ohio State u stručnom pregledu objavljenom u časopisu Advanced Drug Delivery Reviews navodi da se fagoterapija gotovo vijek koristi kao antibakterijski pristup, posebno kod dugotrajnih, upornih i hroničnih infekcija koje prethodno liječenje antibioticima nije uspjelo ukloniti.

Pod tvrdokornim infekcijama ne misli se samo na bakteriju koja je razvila klasičnu otpornost na određeni antibiotik. Problem mogu biti i hronične rane, infekcije povezane s umjetnim zglobovima i drugim implantatima te infekcije u kojima bakterije stvaraju biofilm. Pregled objavljen u časopisu Current Opinion in Virology navodi da su bakterijski biofilmovi uključeni u brojne hronične i teško izlječive infekcije te da obećavajući laboratorijski rezultati fagoterapije ne znače automatski da će terapija jednako dobro djelovati u ljudskom organizmu. Interakcija između virusa, bakterije i biofilma mnogo je složenija u stvarnim kliničkim uvjetima.

U tom dijelu istraživači vide prostor za daljnji razvoj. Umjesto dugotrajnog traženja prirodnog bakteriofaga koji bi odgovarao određenoj bakteriji, generativna umjetna inteligencija bi jednog dana mogla pomoći u dizajniranju novih genoma prilagođenih konkretnim bakterijama i njihovim mehanizmima otpornosti. Za sada, međutim, riječ je o laboratorijskom rezultatu koji pokazuje da AI može osmisliti virusni genom koji nakon fizičke izrade obavlja svoju biološku funkciju.