科學(xué)家創(chuàng)造了第一個(gè)由人工智能（AI）設(shè)計(jì)的病毒，這些病毒能夠追蹤并殺死大腸桿菌菌株。

“這是AI系統(tǒng)第一次能夠編寫連貫的基因組規(guī)模序列。”美國(guó)斯坦福大學(xué)的計(jì)算生物學(xué)家Brian Hie說(shuō)，“下一步是AI生成的生命?！钡耐?、美國(guó)斯坦福大學(xué)的Samuel King補(bǔ)充說(shuō)：“為了設(shè)計(jì)一個(gè)完整的生命有機(jī)體，需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展?！?/p>

9月17日，相關(guān)研究成果公布于預(yù)印本服務(wù)器bioRxiv。作者表示，該研究展示了AI在為治療細(xì)菌感染設(shè)計(jì)生物技術(shù)工具和療法方面的潛力?！拔覀兿Ｍ@樣的策略能夠補(bǔ)充現(xiàn)有的噬菌體療法，并在未來(lái)增強(qiáng)治療手段，以靶向關(guān)注的病原體?！盚ie說(shuō)。

AI模型已被用于生成DNA序列、單一蛋白質(zhì)和多組分復(fù)合物。然而，由于基因之間以及基因復(fù)制和調(diào)控過(guò)程中復(fù)雜的相互作用，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的基因組要困難得多。Hie說(shuō)，這些AI系統(tǒng)現(xiàn)在能幫助科學(xué)家操縱高度復(fù)雜的生物系統(tǒng)，例如整個(gè)基因組?！爸挥挟?dāng)你能夠設(shè)計(jì)完整的基因組時(shí)，才能觸及許多重要的生物學(xué)功能。”

為了設(shè)計(jì)病毒基因組，研究人員使用了Evo 1和Evo 2這兩種能夠分析和生成DNA、RNA及蛋白質(zhì)序列的AI模型。首先，他們需要一個(gè)設(shè)計(jì)模板，即一個(gè)起始序列，用以引導(dǎo)AI模型生成具有所需特性的基因組。然后，他們選擇了ΦX174，這是一種簡(jiǎn)單的單鏈DNA病毒，包含11個(gè)基因中的5386個(gè)核苷酸，以及感染宿主并在其內(nèi)部復(fù)制所需的所有遺傳元件。

Evo模型已經(jīng)接受了超過(guò)200萬(wàn)個(gè)噬菌體基因組的訓(xùn)練，但研究人員進(jìn)一步采用一種名為監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，以使其能夠生成具有感染大腸桿菌菌株（特別是抗生素耐藥菌株）特定功能的、類似ΦX174的病毒基因組。

研究人員評(píng)估了數(shù)千個(gè)AI生成的序列，并將搜索范圍縮小到302個(gè)有活性的噬菌體。大多數(shù)候選病毒與ΦX174有40%以上的核苷酸同源性，但有些候選病毒的編碼序列則完全不同。研究人員根據(jù)AI設(shè)計(jì)的基因組合成了DNA，并將其插入宿主細(xì)菌中以培養(yǎng)噬菌體。接著，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試這些噬菌體能否感染并殺死大腸桿菌。在AI設(shè)計(jì)的302個(gè)噬菌體中，有16個(gè)表現(xiàn)出對(duì)大腸桿菌的宿主特異性，能夠感染這種細(xì)菌。AI設(shè)計(jì)的噬菌體組合可以感染并殺死3種不同的大腸桿菌菌株，這是野生型ΦX174無(wú)法做到的。

“這是一個(gè)相當(dāng)令人驚訝的結(jié)果，也讓我們非常興奮，因?yàn)樗砻鬟@種方法在治療上可能非常有用?！盞ing說(shuō)。

“這項(xiàng)研究為當(dāng)下可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)提供了一個(gè)令人信服的范例，也為未來(lái)更雄心勃勃的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算生物學(xué)家Peter Koo說(shuō)。

Koo表示，僅靠Evo模型本身，還不足以在沒(méi)有團(tuán)隊(duì)干預(yù)、指導(dǎo)和篩選的情況下設(shè)計(jì)和生成病毒?！暗艺J(rèn)為，作為一個(gè)整體系統(tǒng)，在所有篩選機(jī)制、系統(tǒng)和管道都就位的情況下，它可能是一種實(shí)現(xiàn)功能性基因組的方法?！?/p>

還有一個(gè)擔(dān)憂是，AI可能被用于設(shè)計(jì)危害人類的病毒。但德國(guó)海德堡大學(xué)的生物物理學(xué)家Kerstin G?pfrich表示，這個(gè)被稱為“兩用困境”的問(wèn)題并非AI獨(dú)有，而是生物學(xué)領(lǐng)域一直存在的。“我認(rèn)為，在一般研究中，你總是會(huì)遇到兩用困境。這并非AI所特有的，任何進(jìn)展都可以被用于好的方面，也可以被用于壞的方面?！?/p>

作者在論文中表示，已將影響真核生物（包括人類）的病毒排除在Evo模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)之外。他們研究的ΦX174噬菌體和大腸桿菌宿主系統(tǒng)也是非致病性的，并且“在分子生物學(xué)研究中有著悠久的安全使用歷史”。

研究人員希望他們的方法能夠被用于安全地生成AI設(shè)計(jì)的病毒，以治療各種疾病和應(yīng)對(duì)公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)，包括日益嚴(yán)峻的細(xì)菌耐藥性問(wèn)題。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1101/2025.09.12.675911

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)