ИИ подсказал биохимикам, как сделать вирус в миллион раз заразнее

Искусственный интеллект подсказал ученым, какие мутации внести в вирусы, чтобы сделать их более заразными — и в то же время более разборчивыми в выборе жертв. Лучшие из предложенных моделью вариантов вырастили и проверили, с результатами чего можно ознакомиться на страницах Cell Systems.

Цели исследования были, разумеется, исключительно благими. Лаборатория биохимика Ватсана Рамана в Висконсинском университете в Мэдисоне занимается конструированием бактериофагов — вирусов для борьбы с патогенными бактериями. Этот метод лечения инфекций становится все более перспективным в свете неуклонного роста устойчивости к антибиотикам из-за их бесконтрольного применения.

«Фаговая терапия дает нам возможность взглянуть на стратегии, которые предоставила эволюция, и применить их по-новому — чтобы эффективнее расправляться с бактериальными инфекциями», — говорит Раман.

Но задача эта непростая. Чтобы вылечить бактериальную инфекцию, терапевтическое средство должно эффективно истребить всю популяцию возбудителя. По словам исследователя, природные фаги эволюционировали к посредственности, а не к максимальной летальности. Если фаг уничтожит всю популяцию бактерий, он лишится хозяев, необходимых ему для выживания и размножения. Бактерии тоже времени зря не теряли и за миллионы лет эволюции обзавелись собственными защитными механизмами.

Для более плодотворного конструирования фагов в лаборатории Рамана разработали модель ИИ, которая помогает в поиске наиболее эффективных мутаций — таких, чтобы получать вирусы с заданными свойствами.

«Модель способна выучить правила, по которым фаги эволюционируют к успеху, и использовать эти правила для конструирования фагов, высокоэффективных против патогенов», — объясняет ученый.

Чтобы оценить модель, исследователи подвергли ее ряду испытаний, имитирующих реальные препятствия, с которыми сталкивается разработка фаговой терапии. Затем сконструировали вирусы с мутациями, предложенными ИИ, и проверили их in vivo.

Результаты оказались более чем многообещающими. Спроектированные при помощи ИИ вирусы получились в 100000–1000000 раз заразнее, а самое главное — они обрели узкую специфичность в отношении конкретных бактерий, что стало важным шагом к лечению инфекций без вреда кишечному микробиому.

Экспериментальная проверка подразумевала успешное выполнение 26 задач — пять по вирулентности, 20 — по специфичности и одна заключалась в генерализме — заразить все пять обучающих бактерий.

Для каждой из 26 задач нашелся хотя бы один работающий фаг. А 19 из 20 целей по специфичности были достигнуты фагами всего с тремя мутациями по сравнению с природным оригиналом T7.

Ранее та же команда изучала белок, который некоторые фаги используют как молекулярное сверло, чтобы пробить защитную сахарную оболочку бактерий. Эти результаты легли в основу нового исследования — по утверждению его авторов, одного из первых, в котором ИИ помог в разработке белка сразу с несколькими заданными свойствами.

«В конечном счете мы хотели бы проектировать фаги для решения реальных проблем. Мы уже начали двигаться в этом направлении, применяя подход к патогенам, вызывающим инфекции мочевыводящих путей, бактериям, связанным с заболеваниями микробиома, и сельскохозяйственным патогенам — таким как сальмонелла у птицы. Цель — уметь создавать эффективные терапевтические фаги для многих разных бактериальных патогенов», — подытожил Раман.