Специалисты в области компьютерных наук впервые применили алгоритмы обработки естественного языка для разработки геномов функциональных бактериофагов – вирусов, которые воздействуют на бактерии. Используя генетический код существующего вируса как отправную точку, программа создала шестнадцать новых вариантов, эффективно подавляющих рост кишечной палочки. Это может привести к разработке индивидуализированных методов лечения инфекций, устойчивых к традиционным препаратам.

Специалисты в области биологии уже обладают навыками чтения и синтеза ДНК, однако создание полных геномов представлялось сложной задачей. Геном – это не просто совокупность генов, а комплексная трехмерная структура молекулы. Ранее ученые могли осуществлять лишь незначительные изменения отдельных участков цепочки ДНК посредством генной инженерии.

В последнее время крупные языковые модели находят применение в биологии для проектирования определенных белков. Теперь американские исследователи решили выяснить, способна ли нейросеть сгенерировать генетический код целого организма. О результатах этой работы опубликовали в журнале Science.

В качестве отправной точки для исследований ученые определили бактериофаг ΦX174. Этот несложный, но значимый в историческом плане вирус инфицирует Escherichia coli (кишечную палочку). В 1977 году именно его геном стал первым биологическим объектом, последовательность нуклеотидов которого была полностью определена (хотя вирусы обычно не рассматриваются как полноценные живые существа). Сейчас нейронным сетям поставили задачу разработать его эволюционные версии, которые никогда не встречались в естественной среде обитания.

Для проведения эксперимента были использованы языковые модели Evo 1 и Evo 2. Первоначально искусственные сети прошли обучение на обширном объеме информации, содержащей геномы природных бактериофагов – два миллиона записей. После этого моделям предоставили конкретные условия: новый вирус должен был обладать заданными размерами, сохранять основную структуру ΦX174 и быть способным взаимодействовать с рецепторами кишечной палочки.

Искусственный интеллект создал огромное количество моделей геномов. Из этого числа специалисты выбрали триста два наиболее многообещающих экземпляра. После чего эти последовательности нуклеиновых кислот были воспроизведены посредством химической реакции и помещены в клетки бактерий Escherichia coli.

Результаты опыта продемонстрировали жизнеспособность 16 созданных вирусов. Они успешно формировались внутри бактерий и приводили к их гибели. Даже незначительное изменение одного гена может сделать вирус неработоспособным, поэтому создание столь большого количества функциональных организмов с принципиально новым генетическим кодом стало важной победой для специалистов в области генетики.

Тщательное изучение подтвердило неповторимость фагов, созданных при помощи искусственного интеллекта. Они имели сотни мутаций по сравнению с природным ΦX174. При этом некоторые из синтезированных вирусов продемонстрировали повышенную активность: они быстрее размножались и более эффективно уничтожали бактериальные популяции.

В заключение эксперимента ученые вывели три разновидности кишечной палочки, обладающие устойчивостью к естественному вирусу ΦX174. Природный вирус не смог преодолеть эту защиту. Однако комбинация из сгенерированных нейросетью вирусов успешно справилась с поставленной задачей. Искусственные фаги начали процесс обмена генетическим материалом и, уже через несколько поколений, сумели обойти бактериальный иммунитет.

Благодаря этому эксперименту стало ясно, что нейронные сети могут понять принципы естественного отбора и создавать функциональные геномы. Разработка вирусов, превосходящих по своим свойствам природные аналоги и способных обходить защитные механизмы бактерий, имеет большое значение для здравоохранения. В перспективе такая технология позволит быстро разрабатывать вирусные препараты для людей с серьезными заболеваниями, не реагирующими на традиционные антибактериальные средства.