Bacteriile ascund în genomurile lor un arsenal mult mai vast de arme împotriva virusurilor decât se credea. Două studii publicate în Science arată că inteligența artificială a identificat mii, ba chiar sute de mii de candidați, unii cu potențial de a inspira viitoarele instrumente de editare genetică și biotehnologie.

Când vorbim despre lupta împotriva virusurilor, ne gândim de obicei la sistemul imunitar uman. Dar și bacteriile duc, de miliarde de ani, propriul lor război cu virusurile care le infectează – așa-numiții bacteriofagi sau, pe scurt, fagi. Din această confruntare permanentă s-au născut numeroase mecanisme de apărare moleculară, iar unele dintre ele au schimbat deja biologia modernă. Cel mai cunoscut exemplu este CRISPR, sistemul care a stat la baza unei revoluții în editarea genetică.

Acum, două echipe de cercetători au arătat că această lume a „imunității bacteriene” este mult mai bogată decât se bănuia. Potrivit unei analize publicate de Nature, cercetătorii au scormonit în date genomice bacteriene și au construit baze de date cu mii de proteine de apărare antivirală, care ar putea deveni, în timp, sursa unor noi instrumente biotehnologice.

Primul studiu, coordonat de Peter DeWeirdt și colegii săi, a folosit un model de învățare automată numit DefensePredictor. Acesta analizează nu doar secvența unei proteine, ci și „vecinătatea” ei genetică din genom, pentru a estima dacă proteina face parte dintr-un sistem de apărare. Testat pe 69 de tulpini diverse de E. coli, modelul a prezis sute de sisteme imunitare necunoscute anterior, iar funcția defensivă a fost validată experimental în 42 de cazuri. În plus, analiza a 1.000 de genomuri bacteriene a identificat aproape 3.000 de grupuri de proteine diferite de sistemele imunitare bacteriene deja cunoscute.

Al doilea studiu, semnat de Ernest Mordret și colaboratorii săi, a mers și mai departe. Echipa a aplicat modele de tip „lingvistic” pentru proteine și genomuri la peste 120 de milioane de proteine provenite din genomuri bacteriene și a identificat sute de mii de familii candidate implicate în apărarea împotriva bacteriofagilor. Rezumatul disponibil al lucrării arată că metodele au atins o precizie de până la 99% și un recall de 92%, iar validarea experimentală a dus la descoperirea a 12 sisteme anti-fagi care nu fuseseră anterior asociate cu apărarea antivirală.

Pe înțelesul tuturor, cercetătorii au folosit AI-ul ca pe un detector de tipare într-o bibliotecă uriașă de instrucțiuni genetice. În loc să caute doar mecanisme deja cunoscute, modelele au învățat să recunoască semnături subtile care pot trăda existența unor arme moleculare complet noi. Asta contează enorm, fiindcă genomurile bacteriene conțin o cantitate uriașă de gene și proteine a căror funcție rămâne încă necunoscută.

De ce este importantă această linie de cercetare? Pentru că multe dintre marile instrumente ale biologiei moderne au venit tocmai din astfel de sisteme bacteriene de apărare. CRISPR este exemplul clasic: un mecanism natural descoperit la bacterii, transformat apoi într-o tehnologie de editare genetică folosită astăzi în cercetare, agricultură și medicină. Noile proteine descoperite acum ar putea deveni, în viitor, instrumente pentru diagnostic, pentru editarea ADN-ului sau ARN-ului, pentru controlul expresiei genelor ori pentru proiectarea unor terapii mai precise. Nature notează explicit că această „comoară” de proteine ar putea inspira biotehnologii puternice.

Studiul mai spune și altceva: bacteriile nu se apără prin câteva trucuri izolate, ci printr-un arsenal vast, divers și încă insuficient cartografiat. Cercetările din ultimii ani sugerau deja că sistemele anti-fag sunt extrem de numeroase și variate, dar noile lucrări indică faptul că amploarea reală a fenomenului a fost serios subestimată.

Firește, între o listă de proteine candidate și o aplicație medicală reală este o distanță mare. Faptul că un model AI prezice un rol defensiv nu înseamnă automat că proteina respectivă va deveni, mâine, o unealtă utilă în laborator sau în clinică. Urmează etapa grea: validarea experimentală, înțelegerea mecanismului molecular și testarea utilității practice. Chiar și așa, cele două studii schimbă harta domeniului: de acum, oamenii de știință nu mai caută câteva sisteme rare, ci explorează un continent biologic întreg.

În fond, mesajul e unul fascinant: în războiul lor antic cu virusurile, bacteriile au inventat mult mai multe arme decât am realizat până acum. Iar unele dintre aceste arme ar putea deveni, în anii următori, instrumentele cu care oamenii vor trata boli, vor diagnostica infecții sau vor rescrie gene.