استخدم باحثون من جامعة ستانفورد نموذج الذكاء الاصطناعي التوليدي Evo 2 لتصميم وتخليق ما يقرب من 300 عاثية (bacteriophage) جديدة. وأكدت الاختبارات المعملية أن 16 من هذه الفيروسات تقتل بكتيريا E. coli بكفاءة. يوضح هذا العمل أن التصميم البيولوجي من الصفر (de novo) يمكن أن ينتقل من سطر برمجِيّ إلى عامل مضاد للميكروبات حيّ.
من تسلسل رقمي إلى فيروس حقيقي
قام الأستاذ المساعد برايان هي، بالتعاون مع معهد ستانفورد لعلوم البيانات التابع لمؤسسة ديتر شوارتز، بتغذية Evo 2 بالجينوم الخاص بالعاثية ΦX174 المدروسة جيدًا. يعامل Evo 2 الحمض النووي (DNA) كلغة، حيث يتنبأ بالتسلسلات التي يجب أن تنطوي لتشكل بروتينات وظيفية وتتجمع لتكوين فيروس قابل للحياة. أنتج النموذج مئات السلاسل المتميزة من الحمض النووي؛ وحولها التخليق الكيميائي إلى مكتبة تضم ما يقرب من 300 جسيم عاثي.
تطلب تحويل سلسلة منشأة بواسطة الكمبيوتر إلى فيروس مادي أكثر من مجرد خطوة تشبه الطباعة. فقد طلب الفريق قليل نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA oligonucleotides) مخصصة، وقام بتجميع جينومات كاملة، وأدخل كل بنية في مضيف بكتيري يمكنه "تشغيل" العاثية. هذا سير العمل — التصميم، والتخليق، والتجميع، والإنقاذ — كان لفترة طويلة معيارًا للعواثي الطبيعية المعزولة، ولكن نادرًا ما تم تطبيقه على جينومات صُممت بالكامل بواسطة الذكاء الاصطناعي.
الفحص للنشاط المضاد للبكتيريا
كان الاختبار الحقيقي هو ما إذا كان بإمكان أي عاثيات مصممة بالذكاء الاصطناعي أن تصيب وتدمر هدفًا بكتيريًا. تحدى الباحثون المرشحين الـ 300 بسلالة مختبرية من بكتيريا E. coli، وهي سبب شائع لعدوى المسالك البولية ونموذج لدراسات مقاومة المضادات الحيوية. وبعد اختبارات اللويحات (plaque assays) وقياسات تثبيط النمو، برزت 16 عاثية لقدرتها على التحلل السريع للمزارع البكتيرية وامتلاكها أحجام انفجار عالية (عدد جسيمات العاثية الجديدة المنطلقة لكل خلية مصابة).
لم تنجُ تلك النتائج الـ 16 من الفحص فحسب؛ بل تفوقت على العديد من أقارب ΦX174 الطبيعيين في كفاءة القتل. وتشير البيانات إلى أن Evo 2 يمكنه إعادة إنتاج الوظائف الفيروسية المعروفة واستكشاف مساحة التسلسل التي لم يسبق لعلم الأحياء استكشافها، والوصول إلى حلول قابلة للحياة وفعالة في آن واحد.
لماذا يهم هذا البحث في مجال الأبحاث المضادة للميكروبات
لقد عاد العلاج بالعاثيات — استخدام الفيروسات التي تفترس البكتيريا — للظهور كإجابة محتملة للارتفاع العالمي في العدوى المقاومة للمضادات الحيوية. يعتمد الاكتشاف التقليدي على البحث عن العاثيات في مياه الصرف الصحي أو التربة أو الميكروبيوم الحيواني، وهي عملية قد تستغرق شهورًا وتؤدي إلى نتائج غير متوقعة. يوفر Evo 2 بديلًا يعتمد على الحوسبة أولاً: يحدد العلماء هدفًا بكتيريًا، ويتركون النموذج يولد الجينومات المرشحة، ثم يختبرون مجموعة مركزة في المختبر.
إذا توسع هذا المسار، فقد يختصر سنوات من أخذ العينات البيئية إلى أسابيع من التصميم الحاسوبي (in-silico) والتخليق عالي الإنتاجية. كما يفتح تصميم جينومات العاثيات حسب الطلب الباب أمام هندسة سمات إضافية، مثل نطاقات مضيف أوسع أو مقاومة دفاعات البكتيريا المضادة للعاثيات.
المخاطر والأسئلة المفتوحة
لا يزال هذا الاختراق في مراحله الأولى. فقد اقتصرت جميع التجارب على أطباق بتري؛ ولم يتم إجراء أي نماذج حيوانية أو تجارب سريرية. لا تزال المخاوف المتعلقة بالسلامة قائمة — فقد يكون لإدخال الفيروسات الاصطناعية في المرضى أو البيئة آثار بيئية غير متوقعة. كما أن الأطر التنظيمية للعاثيات المعدلة وراثيًا لا تزال في طور التطور، وقد يكون الطريق من الفعالية المختبرية إلى العلاج المعتمد طويلاً.
علاوة على ذلك، بينما نجح Evo 2 مع عاثية بسيطة نسبيًا وموصوفة جيدًا مثل ΦX174، فمن غير الواضح ما إذا كان النموذج قادرًا على التعامل مع جينومات فيروسية أكبر وأكثر تعقيدًا أو تصميم عاثيات يجب أن تتنقل عبر الأنظمة المناعية البكتيرية داخل الجسم (in vivo). قد يعكس النجاح الحالي تدريب النموذج على بيانات ΦX174 الوفيرة بدلاً من قدرة عالمية على توليد أي فيروس من الصفر.
ما الخطوة التالية
سيختبر فريق ستانفورد العاثيات الـ 16 الرائدة ضد سلالات E. coli ذات الصلة سريريًا، بما في ذلك السلالات المقاومة لمضادات حيوية متعددة. وسوف يستكشف العمل الموازي ما إذا كان يمكن توجيه Evo 2 لتصميم عاثيات لبكتيريا أخرى مسببة للمشاكل، مثل Klebsiella أو Pseudomonas. كما سيكون توسيع نطاق التخليق — من بضع مئات من المرشحين إلى الآلاف — أولوية، حيث يمكن للمكتبات الأكبر أن تكشف عن فيروسات أكثر قوة أو أوسع نطاقًا في عملها.
بعيدًا عن العلاج بالعاثيات، يمكن إعادة استخدام هذه المنهجية لأهداف هندسة بيولوجية أخرى: تصميم الإنزيمات للكيمياء الصناعية، أو إنشاء مسارات استقلابية اصطناعية، أو حتى بناء ناقلات لقاحات جديدة. تشير قدرة Evo 2 على توليد تسلسلات الحمض النووي الوظيفية نحو مستقبل يصبح فيه "الكود" لغة تصميم عالمية للأنظمة الحية.
الخلاصة
لقد حوّل نموذج Evo 2 من جامعة ستانفورد تنبؤاً حاسوبياً إلى أداة حية مضادة للميكروبات، مما يثبت أن علم الأحياء المبتكر (de novo) المدفوع بالذكاء الاصطناعي يمكنه إنتاج فيروسات وظيفية قادرة على القضاء على ممرض رئيسي. ويقلص إثبات المفهوم هذا الفجوة بين التصميم الرقمي والعلاجات الواقعية، ولكن يجب حل تحديات السلامة واللوائح التنظيمية وقابلية التوسع قبل أن تصبح العاثيات (phages) الاصطناعية جزءاً روتينياً من الترسانة المضادة للميكروبات.