Trong một bước đột phá chưa từng có, các nhà khoa học đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để thiết kế thành công 16 loại virus đầu tiên trên thế giới. Những virus này có khả năng săn lùng và tiêu diệt vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) – một loại vi khuẩn thường sống trong đường tiêu hóa của người và động vật. Thành tựu này mở ra triển vọng to lớn trong việc điều trị các bệnh nhiễm khuẩn kháng thuốc, vốn đang là vấn đề y tế toàn cầu nghiêm trọng.
Đột phá trong thiết kế bộ gene bằng AI
Theo trang tin Nature, công trình này đánh dấu lần đầu tiên các hệ thống AI có thể viết ra những trình tự gene ở quy mô bộ gene một cách hoàn chỉnh và nhất quán. Ông Brian Hie, nhà sinh học tính toán tại Đại học Stanford (California, Mỹ), cho biết: “Đây là lần đầu tiên các hệ thống AI có thể viết ra những trình tự ở quy mô bộ gene một cách hoàn chỉnh và nhất quán”. Ông nhấn mạnh rằng bước tiếp theo chính là tạo ra sự sống do AI thiết kế. Tuy nhiên, đồng nghiệp Samuel King tỏ ra thận trọng hơn, cho rằng vẫn cần nhiều tiến bộ thực nghiệm trước khi có thể thiết kế toàn bộ một sinh vật sống.
Trước đây, AI đã được ứng dụng để tạo ra các trình tự DNA, protein đơn lẻ hoặc các phức hợp sinh học đa thành phần. Nhưng thiết kế toàn bộ một bộ gene là nhiệm vụ khó khăn hơn nhiều do sự tương tác phức tạp giữa các gene cũng như các cơ chế sao chép và điều hòa gene. Theo ông Hie, chỉ khi có khả năng thiết kế bộ gene hoàn chỉnh, giới khoa học mới có thể tiếp cận được nhiều chức năng sinh học quan trọng.
Quy trình tạo virus bằng AI
Để thực hiện điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai mô hình AI là Evo1 và Evo2, chuyên phân tích và tạo ra các trình tự DNA, RNA và protein. Các mô hình Evo đã được huấn luyện trên hơn 2 triệu bộ gene thể thực khuẩn. Sau đó, nhóm sử dụng phương pháp học có giám sát (supervised learning) để tinh chỉnh mô hình, hướng tới việc tạo ra những virus có khả năng lây nhiễm các chủng E. coli, đặc biệt là các chủng đã kháng kháng sinh.
Sau khi đánh giá hàng nghìn trình tự do AI tạo ra, các nhà khoa học đã sàng lọc được 302 ứng viên thể thực khuẩn tiềm năng. Tiếp đó, họ tổng hợp DNA từ những bộ gene do AI thiết kế, đưa vào vi khuẩn vật chủ để nuôi cấy và kiểm tra khả năng lây nhiễm thực tế. Kết quả thử nghiệm cho thấy 16 trong số 302 thể thực khuẩn do AI thiết kế thể hiện tính đặc hiệu với E. coli và có khả năng lây nhiễm loại vi khuẩn này. Đáng chú ý hơn, khi kết hợp các thể thực khuẩn do AI tạo ra, nhóm nghiên cứu nhận thấy chúng có thể lây nhiễm và tiêu diệt ba chủng E. coli khác nhau.
Ông Samuel King cho biết: “Đó là một kết quả khá bất ngờ và thực sự khiến chúng tôi rất phấn khích, bởi nó cho thấy phương pháp này có thể mang lại giá trị rất lớn cho lĩnh vực điều trị”.
Triển vọng thay thế thuốc kháng sinh
Trong bối cảnh tình trạng kháng kháng sinh ngày càng gia tăng trên toàn cầu, khả năng thiết kế các virus chuyên biệt để tiêu diệt vi khuẩn được xem là hướng tiếp cận đầy hứa hẹn. Peter Koo, nhà sinh học tính toán tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (New York, Mỹ), nhận định: “Công trình này mang lại một ví dụ thuyết phục về những gì có thể thực hiện được ở thời điểm hiện tại, đồng thời đặt nền móng cho các ứng dụng tham vọng hơn trong tương lai”. Ông cũng cho rằng nghiên cứu đã làm nổi bật một lĩnh vực ứng dụng đặc biệt thú vị.
Dù vậy, ông Koo nhấn mạnh rằng bản thân mô hình Evo hiện vẫn chưa đủ khả năng tự thiết kế virus mà không cần sự hỗ trợ của con người. Tuy nhiên, ông nói: “Nhưng tôi cho rằng nếu xét như một hệ thống tổng thể, với tất cả các bộ lọc cùng quy trình mà họ xây dựng, nghiên cứu này cho thấy đây có thể là một hướng tiếp cận dẫn tới việc tạo ra các bộ gene có chức năng thực sự”.
Vấn đề an toàn sinh học và AI lưỡng dụng
Song song với triển vọng khoa học, nghiên cứu cũng làm dấy lên các tranh luận về nguy cơ AI bị sử dụng để tạo ra những virus gây hại cho con người. Theo Kerstin Göpfrich, nhà vật lý sinh học và nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Heidelberg (Đức), đây thực chất là vấn đề “lưỡng dụng” – tức những công nghệ hoặc nghiên cứu có thể được sử dụng cho cả mục đích tích cực lẫn tiêu cực, vốn đã tồn tại từ lâu trong nghiên cứu sinh học. Bà cho biết: “Tôi nghĩ trong nghiên cứu nói chung luôn tồn tại vấn đề lưỡng dụng. Không có gì đặc thù đối với AI cả, và bất kỳ tiến bộ nào cũng có thể được sử dụng theo hướng tích cực hoặc tiêu cực”.
Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã chủ động giải quyết các quan ngại về an toàn sinh học ngay từ đầu. Theo đó, dữ liệu huấn luyện của các mô hình Evo đã loại bỏ những loại virus có khả năng ảnh hưởng tới sinh vật nhân thực, bao gồm cả con người. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng phương pháp này có thể được ứng dụng an toàn để tạo ra các virus do AI thiết kế nhằm điều trị nhiều loại bệnh cũng như giải quyết các vấn đề y tế công cộng trong tương lai, đặc biệt là tình trạng kháng kháng sinh đang ngày càng nghiêm trọng.
Bà Kerstin Göpfrich nói: “Tôi tin rằng đây chắc chắn sẽ trở thành một lĩnh vực phát triển mạnh trong tương lai và tôi thực sự rất hào hứng với điều đó”.
Từ việc tạo ra những trình tự gene hoàn chỉnh đầu tiên bằng AI cho tới tham vọng thiết kế toàn bộ sinh vật sống, nghiên cứu mới cho thấy ranh giới giữa công nghệ tính toán và sinh học tổng hợp đang ngày càng mờ đi. Dù còn nhiều thách thức về mặt kỹ thuật và an toàn, cánh cửa dẫn tới kỷ nguyên “sự sống do AI tạo ra” dường như đã bắt đầu hé mở.
