美国斯坦福大学等的研究团队宣布，利用生成式AI设计出了自然界中不存在的新型病毒的全基因组，根据该“设计图”合成DNA，成功制备出了能够实际增殖的病毒。本次制备的并非感染人或动物的病毒，而是感染细菌的病毒——“噬菌体（phage）”。研究团队表示，该成果有望应用于利用新型噬菌体的疗法等生命科学领域，同时也强调了安全对策的重要性。相关论文已于8月6日发表在美国科学期刊《Science》上。
研究团队首先开发出了学习过包含病毒在内多种生物DNA碱基序列的、名为“Evo 2”的生成式AI模型。这种“基因组语言模型”通过学习大量DNA序列，并可像续写文章一样预测已有序列之后的碱基。
研究团队向Evo 2提供了真实存在的噬菌体“ΦX174”的短DNA序列作为参考信息，让其生成了数千种能够感染特定大肠杆菌的新型噬菌体基因组序列。研究人员借助计算机从中筛选出约300种可能具有噬菌体功能的候选序列，并基于Evo 2生成的设计图实际合成了DNA，将其导入大肠杆菌后验证其功能。
结果确认，有16种噬菌体能够感染大肠杆菌并增殖，具备破坏细胞的能力。其中部分噬菌体表现出比原始ΦX174更高的增殖能力。该成果表明，生成式AI不仅能够设计构成噬菌体的单个蛋白质，还能设计感染和增殖所需的完整基因组。
美国斯坦福大学工学部的布莱恩·海助教（左）与共同研究者（右）确认基因组设计AI“Evo 2”生成的蛋白质结构（供图：Andrew Brodhead／美国斯坦福大学工学部）
被选为设计参考的ΦX174是由约5400个碱基组成的单链DNA。虽然与拥有约30亿碱基的人类基因组相比极为微小，但它包含了11个基因，具备感染大肠杆菌并破坏细胞的能力。因此适合用来测试Evo 2能否完成病毒全基因组设计。
研究团队已公开Evo 2供免费使用。研究人员将此次制备的16种噬菌体组合使用后，发现对已经耐受原始ΦX174的大肠杆菌依然可以起效。据称，通过混合多种不同的噬菌体，有可能使细菌难以同时对所有噬菌体产生耐受性。
应对耐药菌是全球性的公共卫生课题。研究团队表示，未来有望设计靶向结核杆菌、铜绿假单胞菌、MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）等的噬菌体，并将其应用于治疗细菌感染的“噬菌体疗法”。铜绿假单胞菌是已知的会引发耐药性院内感染的主要致病菌之一。
被认为容易发展为耐药菌的结核杆菌电子显微镜图像（国立健康危机管理研究机构麻风病研究中心的山崎利雄拍摄，该机构供图）
本次成果并非仅凭AI就可以实现。从AI生成的数千个候选序列中，研究人员借助计算机筛选出有潜力的序列，合成DNA并通过实验验证——这一系列工作不可或缺。不宜简单理解为AI可以随心所欲创造完全未知的病毒。更准确的解读是，AI学习了自然界中进化而来的基因组规律，作为学习成果提出了新的碱基序列组合。
斯坦福大学工学部的布莱恩·海助教表示：“我们证实，这款由16种噬菌体构成的‘混合物’，能够迅速突破已对天然噬菌体ΦX174产生耐受性的大肠杆菌的抵抗能力。”他强调了该成果在噬菌体疗法等方面的优势。另一方面，他也承认病毒设计工具有可能被篡改和恶意利用，并指出了在AI模型中嵌入安全校验机制等，让开发和安全对策同步推进的重要性。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science
论文：Generative design of bacteriophages with genome language models
DOI：10.1126/science.aec2657
