I primi genomi progettati con l'intelligenza artificiale al mondo generano 16 nuovi e potenti virus in grado di uccidere i batteri. / World-first AI-designed genomes generate 16 powerful new bacteria-killing viruses

 I primi genomi progettati con l'intelligenza artificiale al mondo generano 16 nuovi e potenti virus in grado di uccidere i batteri. / World-first AI-designed genomes generate 16 powerful new bacteria-killing viruses

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Per la prima volta al mondo, gli scienziati hanno utilizzato modelli del linguaggio genomico per generare nuovi virus che prendono di mira selettivamente i batteri, alimentando le speranze per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Per la prima volta in assoluto, i ricercatori della Stanford University (California, USA) hanno progettato centinaia di genomi completi di batteriofagi utilizzando modelli di intelligenza artificiale generativa. Dopo aver testato l'efficacia di questi fagi contro l'Escherichia coli, il gruppo ha identificato 16 nuovi virus con potenti capacità battericide, aprendo potenzialmente la strada ad una nuova era nella progettazione di terapie guidata dall'intelligenza artificiale.

L'utilizzo dell'intelligenza artificiale per creare sistemi biologici complessi ha il potenziale per trasformare la biotecnologia. Ad esempio, i modelli di linguaggio genomico, addestrati non su testo ma su milioni di genomi provenienti da tutti i domini della vita, possono apprendere i modelli evolutivi che modellano il DNA in natura e utilizzarli per generare sequenze completamente nuove. Sebbene siano stati compiuti progressi a livello di singoli geni e circuiti genici, la progettazione dell'intero genoma è finora sfuggita agli scienziati.

I batteriofagi sono considerati un punto di partenza promettente grazie alle loro piccole dimensioni, alla facilità di manipolazione ed alle ampie applicazioni in biologia molecolare, ingegneria microbica e medicina. L'autore del gruppo di quest'ultima scoperta ha utilizzato il fago ΦX174 come modello per i linguaggi genomici Evo 1 ed Evo 2 , che hanno poi scritto nuovi genomi fagici completi con specificità contro l'Escherichia coli.

Questi sono stati valutati computazionalmente e quasi 300 dei progetti più promettenti sono stati sintetizzati chimicamente e testati in laboratorio, ottenendo infine 16 virus vitali con sequenze, strutture e profili di fitness diversi. I fagi sono geneticamente distinti da qualsiasi fago naturale conosciuto e sono in grado di infettare e distruggere l'E. coli.

Quando i ricercatori hanno testato un cocktail dei loro nuovi batteriofagi su ceppi di E. coli che avevano sviluppato resistenza a ΦX174, sono riusciti a sconfiggere rapidamente i patogeni, mentre una miscela di fagi simili a ΦX174 presenti in natura non ha ottenuto lo stesso risultato.

Nel frattempo, la microscopia crioelettronica ha rivelato che uno dei fagi utilizza nel suo capside una proteina di impacchettamento del DNA evolutivamente distante, il che potrebbe contribuire a spiegare il suo successo.

Nel complesso, il lavoro rappresenta un'interessante dimostrazione di fattibilità per la progettazione biologica guidata dall'intelligenza artificiale a livello dell'intero genoma ed indica una potenziale strada verso nuove terapie contro agenti patogeni in rapida evoluzione.

“Questo è un traguardo importante per la genomica sintetica. Per la prima volta, stiamo assistendo ad un'intelligenza artificiale che va oltre la semplice previsione di sequenze biologiche, arrivando a generare interi genomi funzionali che funzionano in laboratorio. Sebbene si tratti di genomi di batteriofagi relativamente piccoli, il significato va ben oltre i fagi. Ciò suggerisce che i modelli di linguaggio genomico stanno iniziando ad apprendere i principi di progettazione codificati dall'evoluzione, aprendo la strada alla scrittura del genoma assistita dall'IA”, ha dichiarato Patrick Cai del Manchester Institute of Biotechnology (Regno Unito), non coinvolto nello studio, al Science Media Centre (Londra, Regno Unito). “La prossima sfida è quella di estendere questi approcci a genomi molto più grandi e complessi, garantendo al contempo che ogni previsione computazionale sia supportata da una rigorosa validazione sperimentale”.

Sebbene restino ancora da affrontare importanti questioni relative alla biosicurezza ed alla regolamentazione, il gruppo è entusiasto delle prospettive future del loro approccio innovativo. "Grazie a ciò che possiamo fare con questi modelli, si aprono nuove porte nella scienza", ha concluso Samuel King, autore dello studio.

ENGLISH

In a world-first, scientists have used genome language models to generate new viruses that selectively target bacteria, raising hopes for new medicines.

For the first time ever, Stanford University (CA, USA) researchers have designed hundreds of complete bacteriophage genomes using generative AI models. After testing the effectiveness of these phages against Escherichia coli, the team reports 16 novel viruses with potent bacteria-killing capabilities, potentially ushering in a new era of AI-guided therapeutic design.

Using AI to create complex biological systems has the potential to transform biotechnology. For example, genome language models, trained not on text but instead on millions of genomes from all domains of life, can learn evolutionary patterns that shape DNA in nature and use this to generate entirely new sequences. While progress has been made at the scale of individual genes and gene circuits, whole-genome design has thus far eluded scientists.

Bacteriophages are considered a promising jumping off point thanks to their small size, tractability and broad applications in molecular biology, microbial engineering and medicine. The team behind the latest breakthrough used the phage ΦX174 as a template for the genome language models Evo 1 and Evo 2, which then wrote novel, complete phage genomes with specificity against E. coli.

These were computationally evaluated, and almost 300 of the most promising designs were chemically synthesized and tested in laboratory conditions, ultimately yielding 16 viable viruses with diverse sequences, structures and fitness profiles. The phages are genetically distinct from any known natural phages and capable of infecting and destroying E. coli.

When the researchers tested a cocktail of their new bacteriophages on E. coli that had evolved resistance to ΦX174, they quickly overcame the pathogens, whereas a mixture of naturally occurring ΦX174-like phages failed to do the same.

Meanwhile, cryo-electron microscopy revealed that one of the phages uses an evolutionarily distant DNA packaging protein in its capsid, which may help to explain its success.

Overall, the work is an intriguing proof-of-concept for AI-guided biological design on the whole-genome level and demonstrates a potential path toward new therapies against rapidly evolving pathogens.

“This is an important milestone for synthetic genomics. For the first time, we are seeing AI move beyond predicting biological sequences to generating entire functional genomes that work in the laboratory. While these are relatively small bacteriophage genomes, the significance extends far beyond phages. It suggests that genome language models are beginning to learn the design principles encoded by evolution, opening the door to AI-assisted genome writing,” Patrick Cai from the Manchester Institute of Biotechnology (UK), who was not involved in the study, told the Science Media Centre (London, UK). “The next challenge is to scale these approaches to much larger and more complex genomes while ensuring that every computational prediction is matched by rigorous experimental validation.”

Although important questions around biosafety and regulation still need to be addressed, the team is excited about what the future holds for their groundbreaking approach. “New doors in science are now open because of what we can do with these models,” study author Samuel King concluded.

Da:

https://www.biotechniques.com/computational-biology/world-first-ai-designed-genomes-generate-16-powerful-new-bacteria-killing-viruses/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-_c2eBNd8YfFO8eLYrdtSmm14QWjogZxGF9fiJY0XB6sadJeswJjtDsMLcYVWQ4xALmcbOERKwK3aCf5XhFvN7cqkq4PFXDAo6-8wyBEUgtuuPaTgY&_hsmi=433116782&utm_content=433019931&utm_source=hs_email