Các nhà khoa học đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để viết nên các bộ gen virus hoàn chỉnh, từ đó tổng hợp ra các thể thực khuẩn (bacteriophage) có khả năng truy tìm và tiêu diệt các chủng Escherichia coli (E. coli) cũng như những chủng vi khuẩn kháng thuốc.
“Đây là lần đầu tiên hệ thống AI có thể viết ra các chuỗi gen ở quy mô toàn bộ hệ gen một cách mạch lạc,” Brian Hie, nhà sinh học tính toán tại Đại học Stanford (California), cho biết. “Bước tiếp theo sẽ là sự sống do AI tạo ra,” ông nói, nhưng đồng nghiệp Samuel King bổ sung rằng “cần có rất nhiều tiến bộ thực nghiệm trước khi có thể thiết kế một sinh vật sống hoàn chỉnh.”
Nghiên cứu của Hie, King và cộng sự được đăng tải trên máy chủ tiền ấn phẩm bioRxiv ngày 17/9, chưa qua bình duyệt, nhưng các tác giả cho biết nó cho thấy tiềm năng của AI trong việc thiết kế công cụ công nghệ sinh học và các liệu pháp điều trị nhiễm khuẩn. “Hy vọng rằng một chiến lược như thế này có thể bổ trợ cho các phương pháp trị liệu bằng thực khuẩn hiện có, và một ngày nào đó nâng cao năng lực điều trị nhằm vào những mầm bệnh đáng lo ngại,” Hie nói.
Bộ gen từ máy tính
Trước đây, các mô hình AI đã được sử dụng để tạo ra trình tự DNA, protein đơn lẻ hoặc các phức hợp nhiều thành phần. Nhưng việc thiết kế cả một bộ gen phức tạp hơn nhiều do các tương tác giữa các gen và các quá trình sao chép, điều hòa gen. Theo Hie, các hệ thống AI nay có thể giúp các nhà khoa học thao tác với những hệ sinh học phức tạp, như toàn bộ bộ gen.
Để thiết kế bộ gen virus, nhóm nghiên cứu dùng Evo 1 và Evo 2 – các mô hình AI phân tích và sinh ra trình tự DNA, RNA và protein. Họ cần một trình tự khởi đầu làm khuôn mẫu, dẫn dắt AI tạo ra bộ gen với đặc tính mong muốn. Nhóm chọn virus ΦX174 – loại virus DNA sợi đơn đơn giản, có 5.386 nucleotide (đơn vị cơ bản cấu tạo nên axit nucleic như DNA và RNA) trong 11 gen và chứa toàn bộ yếu tố di truyền cần thiết để lây nhiễm và nhân lên trong vật chủ.
Các mô hình Evo vốn đã được huấn luyện trên hơn 2 triệu bộ gen thực khuẩn (một loại virus chuyên ký sinh và tấn công vi khuẩn), nhưng nhóm nghiên cứu tiếp tục tinh chỉnh bằng phương pháp học có giám sát, để tạo ra các bộ gen giống ΦX174 với chức năng cụ thể: lây nhiễm các chủng E. coli, đặc biệt là những chủng kháng kháng sinh.
Từ hàng nghìn trình tự được AI tạo ra, nhóm thu hẹp xuống 302 thể thực khuẩn khả thi. Hầu hết các ứng viên thể thực khuẩn này có hơn 40% tương đồng nucleotide với ΦX174, nhưng một số có trình tự mã hóa hoàn toàn khác. Nhóm tổng hợp DNA từ các bộ gen này và đưa vào vi khuẩn để nuôi thực khuẩn. Sau đó, các thực khuẩn được kiểm nghiệm xem có thể lây nhiễm và tiêu diệt E. coli hay không.
Kết quả, 16 trong số 302 thực khuẩn do AI thiết kế có khả năng lây nhiễm E. coli. Kết hợp các thực khuẩn này cho phép tiêu diệt ba chủng E. coli khác nhau mà ΦX174 tự nhiên không thể.
“Đây là kết quả gây bất ngờ và cực kỳ hào hứng, vì nó cho thấy phương pháp này có thể hữu ích cho điều trị,” King nói.
Lo ngại an toàn sinh học
“Đây là một minh chứng thuyết phục về những gì khả thi ngày nay, và mở đường cho các ứng dụng tham vọng hơn trong tương lai,” Peter Koo, nhà sinh học mô hình tính toán tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (New York), nhận định.
Theo Koo, bản thân mô hình Evo hiện chưa đủ để tự động thiết kế virus mà không có sự can thiệp, hướng dẫn và lọc của nhóm nghiên cứu. “Nhưng với toàn bộ hệ thống và quy trình mà họ xây dựng, nó cho thấy có thể là một hướng tiếp cận để tạo ra bộ gen chức năng,” ông nói.
Một số chuyên gia bày tỏ lo ngại đạo đức khi AI được dùng để thiết kế virus có thể gây hại cho con người. Tuy nhiên, Kerstin Göpfrich, nhà vật lý sinh học và sinh học tổng hợp tại Đại học Heidelberg (Đức), cho rằng vấn đề này – gọi là “tiến thoái lưỡng nan kép” – không phải chỉ riêng với AI, mà luôn tồn tại trong sinh học.
“Trong nghiên cứu nói chung, lúc nào cũng có tiến thoái lưỡng nan kép. Chẳng có gì đặc thù ở AI cả; tiến bộ có thể dùng cho tốt hoặc xấu,” Kerstin Göpfrich nói.
Các tác giả cũng đề cập đến vấn đề an toàn sinh học trong bản thảo. Họ cho biết đã loại bỏ virus tác động lên sinh vật nhân thực (trong đó có con người) khỏi dữ liệu huấn luyện của mô hình Evo. Thể thực khuẩn ΦX174 và hệ E. coli được nghiên cứu cũng không gây bệnh và “có lịch sử lâu dài được sử dụng an toàn trong nghiên cứu sinh học phân tử,” nhóm viết.
Nhóm hy vọng cách tiếp cận này có thể được ứng dụng để tạo ra các virus do AI thiết kế một cách an toàn nhằm điều trị nhiều bệnh và vấn đề y tế công cộng, bao gồm tình trạng kháng thuốc kháng sinh ngày càng gia tăng.
“Tôi nghĩ lĩnh vực này chắc chắn sẽ phát triển mạnh và tôi vô cùng háo hức về nó,” Göpfrich nói.
Các thể thực khuẩn do AI thiết kế có khả năng lây nhiễm và tiêu diệt vi khuẩn vật chủ. Ảnh: Science Photo Library.
