Η Τεχνητή νοημοσύνη ανακάλυψε άγνωστους αμυντικούς μηχανισμούς στα βακτήρια

Ερευνητές του MIT (Massachusetts Institute of Technology) ανακοίνωσαν ότι εντόπισαν χιλιάδες νέες πρωτεΐνες που προστατεύουν τα βακτήρια από επιθέσεις ιών, αξιοποιώντας ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης με την ονομασία DefensePredictor. Χάρη σε αυτήν την καινοτομία, διαδικασίες που συνήθως απαιτούσαν μήνες εργαστηριακής έρευνας μπορούν πλέον να ολοκληρωθούν μέσα σε λίγα λεπτά.

Ασπίδα απέναντι στους ιούς

Τα βακτήρια βρίσκονται διαρκώς αντιμέτωπα με ιούς, γνωστούς ως βακτηριοφάγους. Μία από τις ισχυρότερες άμυνές τους είναι το σύστημα CRISPR-Cas, το οποίο αποκόπτει το ιικό DNA για να αποτρέψει τη μόλυνση. Το ίδιο σύστημα έχει εξελιχθεί σε πολύτιμο εργαλείο βιοτεχνολογίας για την ακριβή επεξεργασία γονιδίων στα εργαστήρια.

Μέχρι σήμερα, ο εντοπισμός τέτοιων αμυντικών μηχανισμών ήταν μια εξαιρετικά χρονοβόρα διαδικασία, που απαιτούσε την αναζήτηση γνωστών γονιδίων και τον χειροκίνητο έλεγχο χιλιάδων τμημάτων DNA. Η τεχνητή νοημοσύνη έρχεται να αλλάξει ριζικά αυτή την προσέγγιση.

Η εκπαίδευση του DefensePredictor

Οι επιστήμονες εκπαίδευσαν το σύστημά τους σε 17.000 διαφορετικά βακτηριακά γονιδιώματα, όπως περιγράφουν σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science. Επειδή τα γονίδια περιέχουν οδηγίες για τη δημιουργία πρωτεϊνών, το DefensePredictor αναλύει τις πρωτεΐνες κάθε γονιδιώματος μέσω ενός μοντέλου «γλωσσών πρωτεϊνών» με την ονομασία ESM2. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να ξεχωρίσει τις αμυντικές πρωτεΐνες από τις φυσιολογικές, εξετάζοντας χαρακτηριστικά όπως το μήκος του γονιδίου, τα γειτονικά γονίδια και τα πρότυπα στις αλληλουχίες DNA γύρω από αυτό.

Για να βελτιώσουν περαιτέρω το μοντέλο, οι ερευνητές το εκπαίδευσαν με 15.000 γνωστές αντι-ιικές πρωτεΐνες και 186.000 κοινές πρωτεΐνες που εκτελούν βασικές κυτταρικές λειτουργίες. Συγκρίνοντας τις δύο ομάδες, το σύστημα έμαθε να αναγνωρίζει γρήγορα ποιες πρωτεΐνες σχετίζονται με την άμυνα έναντι των ιών.

Ανακάλυψη νέων αμυντικών μηχανισμών

Το μεγάλο τεστ για το DefensePredictor ήρθε όταν ανέλυσε 69 διαφορετικά στελέχη του E. coli και εντόπισε 624 ομάδες πρωτεϊνών με πιθανή αμυντική λειτουργία. Πάνω από 100 από αυτές δεν είχαν καμία προηγούμενη γνωστή σύνδεση με τα βακτηριακά ανοσοποιητικά συστήματα.

Οι ερευνητές κλωνοποίησαν 94 από τα συστήματα που προέβλεψε η τεχνητή νοημοσύνη σε κύτταρα E. coli και τα εξέθεσαν σε 24 διαφορετικούς φάγους. Σχεδόν το 45% παρείχε προστασία από τη μόλυνση. Όπως σημειώνουν οι συγγραφείς της μελέτης, «τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το DefensePredictor αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την ανακάλυψη νέων προκυτταρικών ανοσοποιητικών συστημάτων».

Οι ίδιοι προσθέτουν ότι «τα νέα συστήματα που εντοπίσαμε αποκαλύπτουν πως το E. coli διαθέτει πολύ ευρύτερο φάσμα αντι-φάγικης άμυνας απ’ ό,τι πιστευόταν μέχρι σήμερα».

Προοπτικές και διάθεση στην επιστημονική κοινότητα

Η τεχνητή νοημοσύνη δεν εντόπισε απλώς νέους αμυντικούς μηχανισμούς, αλλά το έκανε με ταχύτητα ασύγκριτη σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε 1.000 διαφορετικούς μικροοργανισμούς, το σύστημα αναγνώρισε σχεδόν 3.000 ομάδες πρωτεϊνών χωρίς καμία ομοιότητα με ήδη γνωστά αμυντικά συστήματα βακτηρίων.

Οι ερευνητές διέθεσαν το DefensePredictor ως ελεύθερο εργαλείο για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα και σκοπεύουν να το βελτιώνουν συνεχώς με βάση τα νέα δεδομένα που θα προκύπτουν.