ИИ впервые спроектировал жизнеспособные вирусы: нейросети Evo создали 16 рабочих бактериофагов

Американские исследователи из Стэнфордского университета и Института Arc впервые в истории использовали генеративный искусственный интеллект для создания полностью функциональных вирусных геномов, которых не существовало в природе. Нейросети Evo 1 и Evo 2 спроектировали 16 вариантов бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии, — которые успешно размножались в лабораторных условиях и уничтожили целевые колонии кишечной палочки. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Исторический объект для эксперимента

В качестве шаблона ученые выбрали бактериофаг ΦX174 — крошечный вирус с геном в 5386 нуклеотидов и 11 генами, поражающий штамм Escherichia coli C. Этот объект имеет особое значение для биологии: в 1977 году он стал первым в истории полностью секвенированным геномом, а в 2003 году — одним из первых, собранных методом химического синтеза. Вирус абсолютно безопасен для человека, животных и растений, что сделало его идеальной моделью для проверки возможностей ИИ.

Геномные языковые модели Evo 1 и Evo 2

Для проектирования применялись специализированные геномные языковые модели, работающие по принципу больших языковых моделей (LLM), но вместо предсказания следующего слова в тексте они предсказывают последовательность нуклеотидов ДНК (A, C, G, T).

• Evo 1 — 7 миллиардов параметров, обучена на 300 миллиардах нуклеотидов из базы OpenGenome, контекст 131 000 токенов, позволял анализировать полные геномы.
• Evo 2 — 40 миллиардов параметров, окно контекста 1 миллион токенов, обучена на 9,3 триллионах нуклеотидов с использованием 2000 видеокарт Nvidia H100. Обучающая выборка охватывала три домена жизни: бактерии, эукариоты и археи.

Сначала базовые модели обучались более чем на двух миллионах геномов фагов, затем их дополнительно дообучали на 14 466 последовательностях бактериофагов семейства Microviridae.

От генерации к живым вирусам

Нейросети сгенерировали сотни тысяч потенциальных вариантов геномов (по разным данным — около 700 000). Исследователи задали жесткие параметры: сохранение базовой архитектуры ΦX174, необходимая длина и способность стыковаться с рецепторами кишечной палочки. После компьютерного и ручного отбора были выбраны несколько сотен самых перспективных последовательностей — 285 по данным 3DNews или 302 по версии Naked Science.

Выбранные ДНК-последовательности синтезировали химическим путем и внедрили в клетки E. coli C. Эксперимент показал беспрецедентный результат: 16 искусственных геномов привели к появлению полностью жизнеспособных бактериофагов. Они успешно собирались внутри бактерий, размножались и вызывали лизис — разрушение бактериальных клеток.

Уникальность и эффективность ИИ-вирусов

Созданные вирусы сильно отличались от природных аналогов. Каждый содержал от 67 до 392 новых мутаций относительно ближайшего природного родственника. Один из штаммов, получивший обозначение Evo-Φ2147, имел всего 93% сходства по нуклеотидной последовательности с ближайшим известным фагом NC51, что по некоторым критериям позволяет считать его отдельным видом.

Более того, некоторые искусственные фаги оказались агрессивнее и эффективнее своего природного предка: они быстрее размножались и мощнее уничтожали колонии бактерий. В контрольном тесте ученые вырастили три штамма кишечной палочки с иммунитетом к природному ΦX174. Обычный бактериофаг не смог пробить их защиту, однако «коктейль» из сгенерированных нейросетью вирусов справился с задачей — искусственные фаги начали обмениваться генами и уже через несколько циклов взломали бактериальную защиту.

Перспективы для медицины и вопросы биобезопасности

Практическая цель технологии — создание новых средств борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Поскольку бактерии стремительно вырабатывают устойчивость к классическим препаратам, ИИ-дизайн позволяет «на лету» создавать таргетированные бактериофаги для фаговой терапии. В будущем подход поможет оперативно разрабатывать вирусные коктейли для пациентов с тяжелыми инфекциями, не поддающимися лечению антибиотиками.

Ученые осознанно исключали из обучающих выборок любые вирусы, способные поражать человека или сложных животных. Тем не менее, сам факт того, что ИИ способен «сочинять» жизнеспособную биологическую машину с нуля, ставит острый вопрос о необходимости жесткого контроля за генеративным проектированием геномов. Ведущие эксперты по биобезопасности, комментирующие работу в том же номере Science, отмечают, что это открывает «ящик Пандоры» и требует разработки международных норм регулирования таких технологий.