A IA livre concebe um novo agente letal contra a E. coli
O modelo concebeu os genomas dos fagos de ponta a ponta, sem que os investigadores tivessem de intervir manualmente na sequência
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Na ciência, o sufixo «fago» significa devorar. Assim, o nome «bacteriófago» pode evocar imagens de pequenas criaturas que «comem» bactérias. Embora essa conceção não seja 100% precisa do ponto de vista científico, os bacteriófagos são, ainda assim, mortais para as bactérias, e os cientistas estão entusiasmados com a ideia de manipular o ADN dos fagos como caminho para novos antibióticos.
Foi assim que o engenheiro químico Brian Hie e o estudante de pós-graduação em bioengenharia Samuel King passaram a estudar o bacteriófago ΦX174 (pronuncia-se «FYE-ex-1-7-4»). Hie, professor assistente de engenharia química e bolseiro da Fundação Dieter Schwarz para o Corpo Docente de Ciência de Dados de Stanford, criou o Evo 2, um modelo de IA generativa que resolve desafios biológicos complexos ao sugerir novas sequências de ADN. Com apenas um fragmento mínimo do ADN do ΦX174, o Evo 2 começa a trabalhar na criação de genomas inovadores de novos fagos que eliminam bactérias – neste caso, a bactériaE. coli, que pode ser mortal quando as infeções se agravam.
Até recentemente, o Evo 2 limitava-se principalmente ao computador, mas num novo artigo, Hie e King transferiram-no para um laboratório do mundo real. Com base nos genomas criados pelo Evo 2, sintetizaram quase 300 novos fagos e testaram a sua eficácia contraa E. coli. Posteriormente, reduziram essa lista a um número relativamente pequeno de 16 fagos excepcionalmente eficazesna eliminação da E. coli.
«Neste caso, queríamos que o modelo gerasse o genoma na íntegra, de ponta a ponta, numa única passagem da esquerda para a direita. Não acrescentámos nada», explica Hie sobre o processo que produziu milhares de opções para a sua equipa. «Nos testes de laboratório, algumas das sugestões do Evo apresentaram uma aptidão superior à do ΦX174 nativo.»
Antibióticos resistentes à resistência
Hie e King escolheram o ΦX174 porque o seu genoma completo tem menos de 6 000 pares de bases. Em comparação com os 3 mil milhões de pares de bases do genoma humano, o genoma do ΦX174 é relativamente simples. Mas a sua capacidade de matar bactérias torna-o, ainda assim, um caso de teste atraente para as capacidades de conceção do Evo 2.
A razão pela qual Hie quer ou precisa de mais do que um fagoque tenha como alvo a E. coli resume-se à resistência bacteriana, uma fraqueza comum dos antibióticos modernos. Eventualmente, após anos de uso intensivo, as bactérias desenvolvem imunidade aos medicamentos que as matam. Os antibióticos perdem a eficácia.
«Se as bactérias adquirirem resistência a um único fago, é o fim do jogo para o medicamento», afirmou Hie. «Mas se tivermos vários fagos geneticamente distintos numa mistura, será mais difícil para as bactérias desenvolverem resistência a todo o cocktail.»
Assim, este trabalho poderá conduzir a um antibiótico resistente à resistência. Os cientistas imaginam cocktails de bacteriófagos geneticamente diversos a trabalhar em conjunto para combater a imunidade microbiana. Abordagens semelhantes poderão ser utilizadas para desenvolver fagos que tenham como alvo outras bactérias nocivas, tais como a tuberculose,o Staphylococcus aureusresistente à meticilina (MRSA) ea Pseudomonas aeruginosa, uma bactéria que é uma das principais causas de infeções resistentes aos tratamentos médicos adquiridas em hospitais, entre outras.
«Apresentamos uma prova de conceito no artigo, onde demonstramos que esta mistura de 16 fagos supera rapidamente a resistência daE. colique é imune ao ΦX174 nativo», afirmou Hie.
Novas ferramentas
Os desafios técnicos de conceber genomas completos — criá-los nucleótido a nucleótido e, em seguida, transferi-los para bactérias — não são fáceis nem baratos. King, primeiro autor do artigo, liderou o projeto.
Por mais curto que seja o genoma do ΦX174, explica Hie, é extraordinariamente difícil analisar uma sequência de 5 400 caracteres e compreendê-la gene a gene. King desenvolveu uma estrutura computacional para ajudar os investigadores a avaliar os genomas e a reduzir a lista de candidatos de milhares para apenas aqueles que a equipa considerou mais interessantes para uma exploração mais aprofundada.
«Uma das principais partes da estrutura de conceção consistiu em determinar quais as características que os genomas deveriam ter com base no ΦX174 e em fagos relacionados», explica King. «A estrutura envolveu várias etapas-chave: gerar genomas utilizando o Evo 2, avaliar opções com base nos critérios de conceção, selecionar os candidatos ideais, sintetizá-los quimicamente e, em seguida, testá-los em laboratório para verificar quais os genomas que funcionavam melhor.»
«Com o custo da síntese de ADN ainda bastante elevado», explica Hie, «a estrutura do Samuel ajudou-nos a concentrar-nos apenas nas alternativas mais viáveis.»
Código aberto, portas abertas
Como prova de conceito, o Evo 2 superou as expectativas. Percebendo o seu potencial nas ciências médicas e biológicas, Hie disponibiliza o Evo 2 em código aberto e gratuitamente. Qualquer pessoa pode descarregar o Evo 2 e conceber novos genomas por conta própria.
A disponibilidade gratuita da ferramenta suscitou, naturalmente, discussões sobre segurança e proteção. Hie está motivado pelos vastos benefícios potenciais da ferramenta para a saúde e a humanidade, e afirmou que a disponibilidade aberta é essencial para acelerar a investigação e os resultados no mundo real. Embora reconheça que versões modificadas da ferramenta possam ser utilizadas por malfeitores, ele salienta que os agentes patogénicos existentes representam um risco maior do que potenciais criações da IA, uma vez que são mais fáceis de aceder e produzir e, ao contrário do que acontece com a IA, não é possível integrar verificações de segurança no processo de evolução natural. Na verdade, acrescenta ele, ferramentas baseadas em IA como o Evo 2 proporcionam aos seres humanos uma vantagem poderosa contra pandemias de origem natural e melhores opções de defesa contra ameaças biológicas criadas pelo homem.
A seguir, Hie está a trabalhar com outros investigadores em Stanford e noutras instituições para alargar o alcance do Evo 2, ao mesmo tempo que prossegue a sua própria investigação para criar outros novos bacteriófagos. Está também a analisar ADN mais longo e complexo, possivelmente até de pequenos genomas bacterianos que possam conduzir a micróbios geneticamente modificados benéficos, capazes de produzir substâncias químicas úteis, medicamentos, combustíveis e muito mais.
«As maiores questões em aberto para mim», disse Hie, antecipando a investigação futura, «são: como é que conseguimos uma maior novidade genética e como é que conseguimos um maior controlo dos resultados?»
«Uma das partes mais gratificantes deste projeto é a criatividade que o Evo 2 permite», afirmou King. «Novas portas na ciência estão agora abertas graças ao que podemos fazer com estes modelos.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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