Биологи давно умеют читать и синтезировать ДНК, но проектирование целых геномов оставалось невыполнимой задачей. Геном — это не просто набор генов, а сложная трехмерная молекулярная система. До сих пор ученые могли вносить ограниченные точечные изменения в существующие цепочки ДНК с помощью генного редактирования.
В последние годы большие языковые модели уже начали применять в биологии для дизайна отдельных белков. Теперь американские исследователи решили проверить, сможет ли нейросеть написать генетический код целого организма. Результаты работы опубликовали в журнале Science.
В качестве шаблона ученые выбрали бактериофаг ΦX174. Это простой, но исторически важный вирус, поражающий кишечную палочку. В 1977 году он стал первым биологическим объектом в истории, чей геном полностью расшифровали (хотя в строгом смысле вирусы не считаются полноценными живыми организмами). Теперь нейросети поручили создать его эволюционные аналоги, которых никогда не существовало в природе.
Исследователи применили языковые модели Evo 1 и Evo 2. Сначала нейросети обучили на массиве данных из двух миллионов геномов природных бактериофагов. Затем моделям задали жесткие параметры: новый вирус должен был иметь нужную длину, сохранять базовую архитектуру ΦX174 и уметь стыковаться с рецепторами кишечной палочки.
Нейросети сгенерировали тысячи вариантов геномов, из которых ученые отобрали 302 самых перспективных. Затем эти ДНК-последовательности синтезировали химическим путем и внедрили в клетки кишечной палочки.
Эксперимент показал, что 16 сгенерированных вирусов оказались полностью жизнеспособными. Они успешно собирались внутри бактерий и убивали их. Изменение даже одного гена часто делает вирус мертвым, поэтому создание 16 рабочих организмов с абсолютно новым генетическим кодом стало для генетиков грандиозным успехом.
Детальный анализ подтвердил уникальность созданных нейросетью фагов. Они отличались от природного ΦX174 сотнями мутаций. Более того, некоторые искусственные вирусы оказались агрессивнее своего природного предка: они быстрее размножались и мощнее уничтожали колонии бактерий.
В конце ученые вырастили три штамма кишечной палочки с иммунитетом к природному вирусу 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.
В итоге биологи доказали, что нейросети способны усвоить сложные правила природной эволюции и генерировать рабочие геномы. Создание вирусов, которые эффективнее природных аналогов обходят защиту бактерий, имеет важное значение для медицины. В будущем подход поможет оперативно создавать вирусные коктейли для пациентов с тяжелыми инфекциями, которые уже не поддаются лечению антибиотиками.