Virus đầu tiên trên thế giới do AI thiết kế, một bước tiến tới sự sống AI tạo sinh

Các nhà khoa học sử dụng AI để viết những hệ gene có tính nhất quán, sau đó sử dụng chúng tổng hợp các thực khuẩn thể có năng lực loại trừ chủng kháng kháng sinh của vi khuẩn.

“Đây là lần đầu tiên các hệ AI có năng lực biết những chuỗi ở quy mô hệ gene nhất quán,” theo Brian Hie, một nhà sinh học tính toán tại ĐH Stanford, California. “Bước tiếp theo là sự sống AI tạo sinh,” Hie nói, nhưng đồng nghiệp Samuel King của ông cho biết thêm “cần rất nhiều tiên tiến thực nghiệm nữa để đến được chỗ thiết kế một sinh vật sống toàn vẹn”

Nghiên cứu này, do Hie, King và cộng sự thực hiện, đã được tải lên bioRxiv ở dạng tiền ấn phẩm vào ngày 17/9/2025 và chưa qua bước bình duyệt nào. Dẫu vậy các tác giả cho biết nó chứng tỏ tiềm năng của AI trong thiết kế các công cụ và các liệu pháp dựa trên công nghệ sinh học cho điều trị các bệnh do lây nhiễm vi khuẩn. “Hy vọng là một chiến lược như vậy có thể hoàn thành các chiến lược liệu pháp phage hiện có – các phương pháp và kỹ thuật được sử dụng để ứng dụng thể thực khuẩn (phage), một loại virus chuyên tiêu diệt vi khuẩn, nhằm điều trị bệnh nhiễm khuẩn – và một ngày nào đó có thể làm tăng thêm cho liệu pháp này hướng đích vào các mầm bệnh đang gây lo ngại,” Hie nói.

Các hệ gene từ máy tính

Các mô hình AI đã được sử dụng để tạo ra các chuỗi DNA, những đơn protein và phức hợp đa thành phần. Tuy nhiên thiết kế ra toàn bộ hệ gene có nhiều thách thức hơn bởi các tương tác phức tạp giữa các gene và sao chép gene cũng như các quá trình điều chỉnh. Các hệ thống AI giờ đàn có năng lực giúp các nhà khoa học thao tác trên các hệ thống sinh học vô cùng phức tạp như toàn bộ hệ gene, Hie nói. “Có quá nhiều chức năng sinh học quan trọng mà anh có thể chỉ tiếp cận được nếu anh có khả năng thiết kế toàn bộ hệ gene.”

Để thiết kế hệ gene của virus, các nhà nghiên cứu sử dụng Evo 1 và Evo 2, các mô hình AI phân tích và tạo ra DNA, RNA và các chuỗi protein. Đầu tiên, họ cần một khuôn thiết kế là một chuỗi khởi động hướng dẫn mô hình AI tạo ra một hệ gene với những đặc điểm mong muốn. Họ chọn ΦX174, một virus DNA sợi đơn đơn giản có 5.386 nucleotide trong 11 gene, và tất cả các yếu tố di truyền được đòi hỏi phải lây nhiễm cho vật chủ và có khả năng sao chép bên trong vật chủ đó.

Mô hình Evo đã lập tức được huấn luyện trên hơn 2 triệu hệ gene thể thực khuẩn nhưng các nhà nghiên cứu còn huấn luyện nhiều hơn cho các mô hình này – sử dụng một phương pháp gọi là học có giám sát – để tạo ra các hệ gene virus giống ΦX174 với chức năng cụ thể của các chủng E.coli có khả năng lây nhiễm, đặc biệt với những chủng kháng kháng sinh.

Các nhà nghiên cứu đánh giá hàng ngàn chuỗi AI tạo sinh và sàng lọc xuống còn 302 thể thực khuẩn vi khuẩn có khả năng sống sót và nhân lên. Phần lớn các ứng viên đều có chung khoảng hơn 40% nucleotide với ΦX174, nhưng một số lại có các chuỗi mã hóa hoàn toàn khác biệt. Các nhà nghiên cứu tổng hợp DNA từ các hệ gene AI tạo sinh và gắn chúng vào vi khuẩn chủ để nuôi các thể thực khuẩn. Các thể thực khuẩn đó đã được kiểm tra về thực nghiệm để xem liệu chúng có thể lây nhiễm được và giết E.coli không.

Khoảng 16 trong số 302 thể thực khuẩn vi khuẩn do AI tạo sinh chứng tỏ tương hợp được đặc trưng vật chủ với E. coli và có thể lây nhiễm cho vi khuẩn này. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra là các sự kết hợp của các thể thực khuẩn AI tạo sinh có thể lây nhiễm và giết ba chủng E. coli khác nhau, điều mà ΦX174 không làm được.

“Đây thực sự là một kết quả đáng kinh ngạc, khiến chúng tôi phấn khích bởi vì nó chứng tỏ là phương pháp này hứa hẹn hữu dụng cho các liệu pháp điều trị”, King nói.

Những lo ngại về an toàn sinh học

“Nghiên cứu này đem lại một nghiên cứu trường hợp điển hình về cái tưởng chừng không thể ngày hôm nay và thiết lập giai đoạn cho nhiều ứng dụng đầy tham vọng trong tương lai,” Peter Koo, một nhà sinh học tính toán tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor ở Laurel Hollow, New York, nhận xét. “Nó đem lại một tiêu điểm cho miền ứng dụng vô cùng thú vị”, ông cho biết thêm.

Koo nói một mình mô hình Evo vẫn không đủ hiệu quả để thiết kế, tạo ra và sàng lọc viruse mà không cần đến sự can thiệp, hướng dẫn từ nhóm nghiên cứu ‘nhưng tôi nghĩ nó như một hệ toàn vẹn với tất cả bộ lọc tại chỗ và toàn hệ cũng như quy trình mà họ đã sắp đặt. Nó chứng tỏ có thể là một cách tiếp cận đủ sức dẫn đến những hệ gene có chức năng”.

Có những lo ngại về đạo đức của AI được sử dụng để thiết kế virus có thể gây hại cho con người. Nhưng Kerstin Göpfrich, một nhà lý sinh học và sinh học tổng hợp tại ĐH Heidelberg  ở Đức, cho rằng vấn đề này – được gọi là song đề lưỡng dụng – không hoàn toàn chỉ có ở AI mà luôn luôn là một lo ngại trong lĩnh vực sinh học. “Tôi nghĩ trong nghiên cứu, về tổng thể anh luôn luôn có song đề lưỡng dụng. Không chỉ với AI, và anh luôn luôn sử dụng tiến trình này cho những điều xấu hơn hoặc tốt hơn”, bà nói.

Các tác giả cũng đã giải quyết những lo ngại an toàn sinh học trong bản thảo. Họ cho rằng họ loại trừ những viruse có thể ảnh hưởng đến sinh vật nhân thực, bao gồm con người, từ dữ liệu huấn luyện cho các mô hình Evo. Thể thực khuẩn ΦX174 và vật chủ E. coli mà họ nghiên cứu cũng đều không phải là mầm bệnh và đã có ‘một lịch sử dài an toàn cho sử dụng trong nghiên cứu sinh học phân tử”, họ viết trong nghiên cứu.

Họ hy vọng là cách tiếp cận của mình sẽ hữu dụng để tạo ra một cách an toàn virus do AI thiết kế để có thể điều trị vô số bệnh và các vấn đề sức khỏe công cộng, bao gồm kháng kháng sinh.

“Tôi nghĩ đây là một lĩnh vực đang phát triển và tôi vô cùng phấn khích về nó”, Göpfrich nói.

Thanh Hương dịch từ Nature

Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-03055-y