Per la prima volta ricercatori della Stanford University e dell'Arc Institute hanno utilizzato modelli di intelligenza artificiale per progettare interi genomi di batteriofagi
Progettare un virus partendo da zero, senza copiarne uno esistente, fino a renderlo capace di infettare un batterio. È un traguardo che fino a pochi anni fa sembrava appartenere alla fantascienza e che oggi diventa realtà grazie all’intelligenza artificiale. Pubblicato su Science, lo studio firmato da Samuel H. King e Brian L. Hie della Stanford University e dell’Arc Institute dimostra, per la prima volta, che modelli generativi addestrati su milioni di sequenze di DNA possono progettare interi genomi di batteriofagi funzionanti. L’obiettivo non è creare nuovi virus pericolosi per l’uomo. I protagonisti della ricerca sono infatti i batteriofagi, virus che infettano esclusivamente i batteri e che da tempo vengono studiati come possibile alternativa agli antibiotici contro le infezioni sostenute da microrganismi resistenti.
Dalla progettazione di singoli geni all’intero genoma
Finora l’intelligenza artificiale aveva dimostrato di poter progettare proteine, enzimi o singoli geni. Fare il salto all’intero genoma rappresentava però una sfida molto più complessa. Ogni gene, infatti, deve funzionare in perfetta sintonia con gli altri e anche una sola mutazione può compromettere la vitalità dell’organismo. Per superare questo limite, i ricercatori hanno impiegato Evo 1 ed Evo 2, due modelli linguistici genomici addestrati su milioni di sequenze di DNA, comprese quelle di oltre due milioni di batteriofagi. Il principio è lo stesso dei modelli di linguaggio utilizzati per elaborare il testo: invece di imparare la grammatica delle parole, questi sistemi apprendono le regole evolutive che governano il DNA. Come punto di partenza è stato scelto FX174, uno dei batteriofagi più studiati della biologia molecolare e il primo genoma a DNA completamente sequenziato nella storia della ricerca.
Sedici virus sintetici si dimostrano vitali
L’intelligenza artificiale ha generato migliaia di possibili genomi. Dopo una prima selezione effettuata con strumenti bioinformatici, gli scienziati hanno sintetizzato in laboratorio quasi 300 candidati. Il risultato ha superato le aspettative: 16 genomi artificiali hanno dato origine a batteriofagi vitali, capaci di infettare Escherichia coli. Non si trattava di semplici copie del virus naturale utilizzato come modello, ma di organismi con caratteristiche genetiche completamente nuove. I virus progettati dall’IA presentavano mutazioni inedite, geni ed elementi regolatori differenti rispetto a quelli osservati in natura e, in alcuni casi, perfino lunghezze genomiche diverse. La microscopia crioelettronica ha inoltre rivelato che uno dei batteriofagi utilizzava, nella struttura del capside, una proteina per l’impacchettamento del DNA proveniente da un virus evolutivamente molto distante.
Una possibile risposta all’antibiotico-resistenza
L’aspetto più promettente dello studio riguarda però la lotta contro la resistenza agli antibiotici. I ricercatori hanno verificato se i nuovi batteriofagi fossero in grado di superare le difese sviluppate da E. coli nei confronti del fago naturale FX174. I risultati mostrano che un cocktail composto da batteriofagi progettati dall’intelligenza artificiale è riuscito rapidamente a infettare ceppi batterici ormai resistenti, mentre una miscela di batteriofagi naturali con caratteristiche simili non ha ottenuto lo stesso risultato. Secondo gli autori, questo dimostra che i modelli generativi non si limitano a produrre nuove sequenze di DNA, ma riescono a cogliere i vincoli evolutivi che rendono un intero genoma biologicamente funzionante. In prospettiva, questa capacità potrebbe consentire di sviluppare terapie fagiche personalizzate e più efficaci contro batteri che evolvono rapidamente, adattando i virus terapeutici all’emergere di nuove resistenze.
Le prospettive e i rischi
Lo studio apre scenari che vanno oltre la terapia fagica. La possibilità di progettare interi genomi artificiali potrebbe accelerare lo sviluppo della genomica sintetica e consentire la realizzazione di sistemi biologici sempre più complessi per applicazioni in medicina, biotecnologia e ricerca. Gli stessi ricercatori, tuttavia, invitano alla prudenza. La capacità di creare genomi virali funzionanti rende indispensabile rafforzare le misure di biosicurezza e biosecurity. Per questo propongono che esperti di sicurezza affianchino i ricercatori durante tutto il ciclo di sviluppo di questi progetti e che le tecnologie di IA applicate alla genomica siano accompagnate da sistemi di controllo analoghi a quelli già previsti in altri ambiti sensibili. Nel commento pubblicato insieme allo studio su Science, Thomas Inglesby e Moritz Hanke sottolineano che la questione non è più se la progettazione generativa di genomi virali diventerà possibile, ma come governarla affinché i benefici per la salute pubblica prevalgano sui potenziali rischi.
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