近年来,人工智能(AI)技术已经渗透到日常生活的各个方面,从自动驾驶汽车到智能客服,无一不体现着AI的强大能力。如今,人工智能正迈出更加惊人的步伐,不仅可以绘制猫咪图像和撰写邮件,还能够设计完整的病毒基因组,创造出一种全新形式的人工生物体。美国加利福尼亚的一支研究团队首次利用人工智能技术设计并制造出具有杀菌功能的病毒,其成果震惊了科学界,也标志着生命科学领域开启了前所未有的新篇章。 斯坦福大学和位于帕洛阿尔托的非营利组织Arc Institute的科学家们,凭借名为Evo的AI系统,完成了对一种被称为phiX174的噬菌体病毒基因组的重新设计工作。phiX174是一种拥有大约5000个DNA字母和11个基因的简单病毒,它专门感染细菌。研究人员通过训练AI模型学习了约两百万种其他噬菌体的基因序列,借此让机器掌握病毒基因的多样性和功能逻辑。
利用生成式AI技术,研究团队让机器创造出数百个全新的病毒基因组设计方案。随后,他们通过化学合成技术将302个设计方案转化为实际的DNA序列,并将这些人工合成的病毒基因组注入实验室培养的埃希氏大肠杆菌中进行测试。实验结果令人振奋,其中16个设计成功激活并复制,病毒开始攻击细菌并导致细菌细胞破裂死亡,直接展示了AI设计病毒的实际功能。 这一突破性的实验被广泛看作"人工智能设计完整基因组的首个实例",彰显了AI在合成生物学领域的巨大潜力。生物学家Jef Boeke指出,AI的表现远超预期,设计出的一些病毒基因不仅新颖,还带有截断基因或基因顺序的变异,从而展现了人工智能在探索生命方程式方面的前瞻能力。虽然严格来说病毒不属于活体生命,但它们是以遗传物质为基础,能够自我复制且具备感染能力的独特存在,AI对其基因组的设计无疑是生命科学的一次创新尝试。
传统上,合成生物学中的基因组设计多依赖人类经验和反复试验。正如合成人类微生物组基因组领域的先驱J. Craig Venter所言,过去的实验往往充满了试错,而目前的AI技术使该过程大幅加速,效率得到了质的飞跃。他强调,AI能够快速筛选和生成多样化的基因组组合,大大缩短了研发周期。 这项技术的医学价值不言而喻。噬菌体疗法作为一种新兴的抗感染策略,已经显示出在治疗顽固细菌感染方面具有独特优势。相比传统抗生素,噬菌体具有针对性强、副作用小的特点。
AI设计的噬菌体有望定制化打造,针对特定细菌进行精准打击,为抗菌药物抗药性问题提供了新的解决途径。此外,农业领域同样受益匪浅,AI设计的病毒可以用于防治细菌性作物病害,改善农产品质量,降低农药使用量。 然而,科学界也对该技术提出了伦理和安全上的诸多担忧。虽然此次研究限定只设计针对细菌的病毒,且故意避免了能够感染人类的病毒基因信息,但是相关技术一旦扩散,极有可能被滥用。研究人员呼吁对病毒基因组设计进行严格监管,尤其担心有恶意势力可能尝试设计并释放新的病原体,造成公共卫生风险。权威人士警告,AI可能被用于增强病毒的致病性,而当前的随机设计缺乏对最终结果的充分掌控和可预测性,增强病毒带来的潜在威胁不可小觑。
目前,科学家们还未能用AI设计出复杂生物体如细菌乃至哺乳动物等更大规模基因组,这主要由于它们基因组庞大且复杂,且无法像病毒那样直接从DNA链"启动"。更复杂的生命形式需要依托现有细胞,通过逐步基因组编辑来进行改造,是一项艰巨且耗时的任务。但业界专业人士相信,随着自动化实验室、机器学习算法和合成生物学技术不断进步,未来人工智能设计和制造复杂生命体的愿景终将实现。 如今,生物科技公司纷纷投入巨资构建自动化实验平台,将AI设计与快速实际验证相结合,加速新一代药物和基因疗法的诞生。举例来说,2024年诺贝尔奖就授予了在蛋白质结构预测领域应用AI的研究者,为生物医药研发提供了强劲动力。同时,巨额资金流向AI驱动的实验室设备制造商和合成生物学初创企业,表明产业界对该领域未来充满信心。
未来,AI设计病毒将不仅仅局限于医疗和农业,还可能被广泛应用于环境保护、工业生物制造等多领域。利用定制病毒调控微生物群落,分解污染或生产高价值化学品,已是业界重点研发方向。这不仅有望推动绿色经济发展,也将促进人类对生命本质的深刻理解和创新利用。 总之,AI驱动的病毒设计技术代表了人工智能赋能生物技术的前沿,与传统生物学方法相比,其速度更快、范围更广,模式更具创新性,也为人类抗击细菌感染和开发新型生物工具带来新曙光。然而,技术的双刃剑效应也提醒我们,科学发展必须兼顾伦理、安全和社会责任,强化监管体系,避免潜在滥用风险。相信在全球科学界和政策制定者的共同努力下,人工智能设计病毒将成为推动生命科学和人类健康腾飞的重要引擎。
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