נגיף שתוכנן בעזרת בינה מלאכותית

התפתחות הבינה המלאכותית הפכה לחלק מחיינו, וגם בתחום הביולוגיה היא משמשת לחיזוי מבני חלבונים, תכנון חלבונים וניתוח מערכות מורכבות. עם זאת, יצירת גנום שלם עדיין נחשבת למשימה מאתגרת ביותר בשל מורכבותו, הנובעת בעיקר מפעולות גומלין בין גנים, פקטורי בקרה ואתרי קישור לחלבונים, הפועלים יחד לאפשר רבייה של האורגניזם. 

במאמר שפורסם לפני ביקורת עמיתים, מתואר כי מדענים הצליחו לייצר במעבדה 16 זני נגיפים המדביקים חיידקים (בקטריופאג’ים), שה-DNA שלהם תוכנן באמצעות בינה מלאכותית. החוקרים השתמשו באלגוריתמים שפותחו לכתיבת גנומים, כלומר מכלול הגנים של הנגיפים, ויצרו גנום שלם מבחינת מבנה ויכולת להדביק את החיידקים. 

נגיפים הם יצורים טפיליים מוחלטים, כלומר חייבים תא מאכסן כדי להתרבות. המורכבות שלהם נעה מנגיפים קטנים עם חומר תורשתי באורך אלפי בסיסים, ועד נגיפי ענק עם יותר משני מיליון בסיסים וכ-2500 גנים. נגיפים מדביקים אורגניזמים מגוונים, מיונקים עד חיידקים, ואף קיימים נגיפים שמדביקים נגיפים אחרים. הנגיף שנבחר לשמש כבסיס למחקר הוא ΦX174, בקטריופאג’ ממשפחת המיקרווירידה (Microviridae) המדביק חיידקי אי קולי מזן C, שאינו מסוכן לאדם. נגיף זה מכיל DNA חד-גדילי באורך של כ-5,400 בסיסים הכולל 11 גנים לצד שבעה רצפי בקרה ושני ורצפי זיהוי. אף שהגנום שלו מורכב יותר מכל גנום שיוצר קודם לכן באמצעות בינה מלאכותית, הוא עדיין נחשב קטן יחסית. בנוסף, מדובר בנגיף שנחקר לא מעט, וקיים עליו מידע ששימש לבניית מודלי הבינה המלאכותית. 

תכנון הנגיפים

מודלי הבינה המלאכותית EVO1  ו-EVO2 אומנו על 15 אלף גנומים של בקטריופאג’ים מאותה משפחה, ויצרו רצפי DNA שיכולים להרכיב גנום שלם, הכולל אזורים המכילים הוראות לחלבונים ואזורי בקרה. המודלים מייצרים רצפים לפי הגדרות מוגדרות מראש. כחלק מהתהליך החוקרים הגדירו למודל שעל הגנום להכיל חלבון ספייק, החלבון שבעזרתו מזהה הנגיף את המאכסן ומדביק אותו, הדומה ביותר מ-60 אחוז לחלבון הספייק של ΦX174, כדי להעלות את הסבירות שהנגיף ידביק את אותו מאכסן. בנוסף, הוגדר לבינה המלאכותית להעדיף גנומים שבהם הזהות בין רצפי חומצות האמינו לחלבונים טבעיים קטנה מ-95 אחוז. החוקרים גם בחרו להמשיך לעבוד עם גנומים המכילים גן אחד יותר או אחד פחות ממספר הגנים של ΦX174, כדי ליצור גנומים חדשניים יותר, אך לא רחוקים מדי מהגנום של ΦX174. 

נגיפים בפעולה

לאחר שלב התכנון החוקרים עברו לייצור בפועל. הם ייצרו 285 נגיפים מלאכותיים, ובדקו אם הם מדביקים אי קולי מזן C. נמצא כי 16 מהם אכן מדביקים אותו ומעכבים את גידולו. ההדבקה הייתה ספציפית לזן זה: החוקרים בדקו הדבקה על שבעה זני חיידקים קרובים שאותם גם ΦX174 לא מדביק, ואף אחד מ-285 הזנים לא הצליח להדביק אותם. כמו כן, 15 מתוך 16 זני הנגיפים שיוצרו הדביקו גם חיידקים מזן נוסף ש-ΦX174 מצליח להדביק גם כן, אם כי ביעילות נמוכה יותר. 

ב-13 מהגנומים של הנגיפים המדביקים נמצאו מוטציות שאינן מוכרות מגנומים אחרים. במבחן תחרות בין הזנים, שניים מהזנים שיוצרו הכפילו את עצמם מהר יותר מ-ΦX174 בשלוש חזרות של הניסוי, ובמבחן נוסף, זן אחר גרם לפיצוץ תאי חיידקים בשיעור גבוה יותר ובקצב מהיר יותר לעומת ΦX174.

רבים מכירים את המושג עמידות של חיידקים מעולם הרפואה: זהו מצב שבו אנטיביוטיקה שהחולה מקבל אינה יעילה עוד נגד הזיהום החיידקי. חלופה מעניינת למיגור חיידקים היא להשתמש בנגיפים מדביקי חיידקים, אם כי גם אליהם החיידקים עלולים לפתח עמידות. כדי לבחון זאת החוקרים בדקו אם יש יתרון לשימוש בקוקטייל של כמה נגיפים, כדוגמת הנגיפים שיוצרו, כדי להתגבר על עמידות. לשם כך הם לקחו חיידקים מזן העמיד ל-ΦX174 וחשפו אותו לקוקטייל שהכיל את כל 16 הנגיפים שיוצרו וגם את ΦX174. הקוקטייל אכן הצליח להדביק את החיידקים העמידים, אך רק לאחר שהנגיפים עברו שינויים גנטיים – מוטציות. לאחר בידוד ובדיקה גנטית של הנגיף העיקרי שהצליח להדביק, עלתה ההשערה שהמוטציות שלו נוצרו כתוצאה משילוב DNA של שניים או יותר מהזנים שתוכננו בעזרת הבינה המלאכותית, שנפגשו בזמן ההדבקה המשותפת של החיידק העמיד. עיקר המוטציות בזן זה היו בחלבון הספייק ובחלבון מעטפת הנגיף. 

המחקר הזה מראה מה צופנת לנו הבינה המלאכותית בעתיד. מצד אחד, יש בתכנון נגיפים נגד חיידקים פוטנציאל ותקווה בעולם שבו עמידות חיידקים היא בעיה ממשית. מצד שני, עולה גם חשש לא מבוטל לשימוש לרעה ביכולות לתכנון של נגיפים בידי מדינות עוינות או גורמי כאוס. ככל הנראה תידרש האנושות למצוא דרכים לפקח על תהליכים כאלה.