AI navrhla 16 funkčních virů od nuly. Některé překonaly přírodní předlohu

Nejde o viry napadající člověka. Bakteriofágy, často označované zkráceně jako fágy, infikují bakterie. Právě proto by se jednou mohly stát nástrojem v boji proti infekcím, na které už běžná antibiotika nestačí.

Jak AI nové genomy navrhla

Tým vedený Brianem Hiem a hlavním autorem Samuelem Kingem využil genomové jazykové modely Evo 1 a Evo 2. Tyto systémy fungují podobně jako jazykové modely pro text, místo slov však hledají vzory v DNA. Evo 2 byl trénován na genetických sekvencích bakterií, archeí, rostlin, živočichů i člověka a dokáže je analyzovat na úrovni jednotlivých nukleotidů .

Vědci oba modely dále upravili pomocí genomů bakteriofágů. Cílem bylo vytvářet celé sekvence s realistickým uspořádáním genů a s vlastnostmi, které by jim umožnily napadat konkrétní hostitelské bakterie . Jako základní předloha posloužil dobře prozkoumaný fág ΦX174, který infikuje E. coli.

Proces probíhal ve velkém měřítku:

• modely vygenerovaly přibližně 700 000 kandidátních genomů ;
• počítačové filtry z nich vybraly 302 slibných návrhů ;
• 285 návrhů vědci nechali chemicky syntetizovat, tedy vyrobit jako skutečné molekuly DNA, a otestovali je v buňkách E. coli ;
• 16 syntetizovaných genomů vytvořilo funkční, množící se bakteriofágy — úspěšnost činila přibližně 5,6 % .

Studie tak nabízí první měřitelný ukazatel „produktivního výtěžku“ pro generativní biologii na úrovni celých genomů . Jinými slovy: AI už nenavrhla jen jednotlivý gen nebo protein, ale celý genetický plán organismu, který se následně dokázal chovat jako živý biologický systém.

Některé nové fágy překonaly ΦX174

Všech 16 funkčních fágů v laboratorních miskách infikovalo E. coli, množilo se v ní a vedlo k lýzi — tedy rozrušení a usmrcení bakteriálních buněk .

Některé návrhy byly v přímém porovnání rychlejší než přírodní ΦX174: množily se rychleji a bakterie ničily s kratším časovým odstupem . U části fágů vědci zaznamenali více než 50 změn v aminokyselinách oproti přírodnímu viru. Tak výrazná odlišnost by podle autorů běžným náhodným mutacím vznikala jen obtížně .

Jeden z nových fágů navíc obsahoval protein zajišťující balení DNA, který nebyl nalezen u žádného dosud známého organismu. Výsledkem tedy nebyla jen mírně pozměněná kopie přírodního viru, ale biologicky funkční návrh s výrazně novými vlastnostmi .

Další důležitý test se týkal odolnosti bakterií. Směs všech 16 fágů dokázala potlačit růst několika kmenů E. coli, včetně variant, které si vytvořily odolnost vůči jednotlivým fágům . Kombinace různých virů tak může ztížit bakteriím cestu k úniku před léčbou.

Naděje pro léčbu infekcí odolných vůči antibiotikům

Bakterie si proti antibiotikům vytvářejí rezistenci a podobný evoluční závod probíhá i mezi bakteriemi a bakteriofágy. Schopnost rychle navrhovat nové fágy na míru by mohla vědcům umožnit tento problém obejít — například vytvořením koktejlu virů, které bakterii napadají různými způsoby .

Výsledky zatím nepředstavují hotovou léčbu pro pacienty. Ukazují však, že genomové jazykové modely dokážou navrhnout celé virové genomy a že alespoň část těchto návrhů lze experimentálně otestovat jako funkční. To otevírá možnost rychlejšího vývoje fágů zaměřených na konkrétní bakteriální původce infekcí .

Brian Hie uvedl, že schopnost modelu využívat evoluční rozmanitost by mohla pomoci učinit fágovou terapii účinnější alternativou k tradičním antibiotikům . Než se tak ale stane, bude nutné ověřit bezpečnost, účinnost a stabilitu těchto organismů v mnohem širším výzkumu než jen v laboratorních kulturách.

Průlom zároveň ukazuje mezeru v pravidlech

Výzkum doprovodil komentář Thomase Inglesbyho a Moritze Hankeho z Centra pro zdravotní bezpečnost Johns Hopkins. Autoři upozornili, že technologie už dokáže skládat virové genomy pomocí generativní AI, zatímco pravidla, která by její bezpečné a odpovědné využití zajistila, tomu podle nich nestačí .

Současný významný ochranný mechanismus představuje screening Mezinárodního konsorcia pro syntézu genů. Ten kontroluje objednávky DNA a porovnává je se známými sekvencemi patogenů. Systém je však dobrovolný, nikoli zákonem povinný, a nebyl navržen pro odhalování sekvencí, které se v přírodě dosud nevyskytly .

Arc Institute se pokusil riziko omezit tím, že z trénovacích dat modelu Evo 2 záměrně vyřadil eukaryotické virové patogeny, tedy viry napadající člověka nebo jiná zvířata . Odborníci přesto varují, že stejné principy by mohly být zneužity k návrhu nebezpečných patogenů a že nové sekvence mohou vznikat rychleji, než je současné kontrolní a monitorovací systémy dokážou zachytit .

Komentář v časopise Nature proto zdůraznil dvojí povahu těchto nástrojů: mohou urychlit vývoj léků a dalších užitečných biotechnologií, zároveň však mohou snížit práh pro vytvoření nových biologických hrozeb .

Příběh 16 nových bakteriofágů tak není jen zprávou o schopnostech AI. Je také testem toho, zda výzkumné standardy, kontrola syntetické DNA a mezinárodní pravidla dokážou držet krok s technologií, která už umí navrhnout celý funkční virový genom.