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斯坦福用 AI 设计噬菌体,16 个候选在实验中能感染大肠杆菌

2026-08-19 / 共 2,622 字

Samuel H. King, Claudia L. Driscoll et al. / IEEE Spectrum

8 月 6 日发表在 Science 的一项研究,首次展示了由生成式基因组模型设计、并经实验验证有功能的完整病毒基因组:斯坦福大学 Brian Hie 团队用 Evo 1 与 Evo 2 两个基因组语言模型,以天然噬菌体 ΦX174 为模板生成基因组,化学合成并测试了近 300 个候选,最终有 16 个被「重启」为可感染、可复制、能杀死大肠杆菌的功能性噬菌体。把它们混合成鸡尾酒后,能快速克服已对天然 ΦX174 耐药的大肠杆菌菌株,而一组天然 ΦX174 近亲噬菌体的混合物做不到这一点。

这项成果同时涉及模型能力与研究治理。能力上,AI 首次端到端生成了完整、有功能的基因组,不再停留在单个基因或蛋白质的层面;监管上,正如约翰斯·霍普金斯健康安全中心的 Tom Inglesby 与 Moritz Hanke 在同刊评论中所写——「用生成式 AI 合成病毒基因组的能力已经存在,安全引导它的治理还不存在。」

模型生成之后,仍需筛选、合成和实验验证

基因组语言模型可以理解成在 DNA 上训练的 LLM:它逐碱基预测下一个字符,从海量基因组里学到的不是语法,而是进化对序列施加的约束。Evo 2 的训练数据集包含超过 200 万个噬菌体基因组;能感染植物、人类或其他动物的病毒序列被刻意排除,以降低它被直接用于设计危险病毒的风险。

对这次实验,团队又把它在约 1.5 万个 ΦX174 近亲基因组上微调,使生成范围集中于 ΦX174 近亲噬菌体。随后,团队依次进行生成、评估、合成与测试:模型生成数千个候选,按设计准则筛出 302 个送去化学合成,其中 17 个无法合成,剩下的 285 个被放进大肠杆菌测试,绝大多数无法感染或杀死细菌,最终只有 16 个被成功「重启」。

ΦX174 是刻意选择的最小目标:整个基因组只有约 5400 个碱基、11 个基因,是已知最小的基因组之一。Hie 在斯坦福官方新闻稿里说,他想要的是「模型端到端、从左到右一次性生成整个基因组,我们什么都没有加」——这与过去在单个基因或基因线路上做 AI 设计有本质区别。

序列与天然病毒高度相似,部分结构和功能仍有变化

对「从零设计」最尖锐的检验来自外部。牛津大学计算生物化学家 Oliver Crook 牵头的独立分析(bioRxiv 预印本)发现,16 个可用噬菌体的基因组平均与 ΦX174 有约 97% 的序列同源,放到进化树上,它们落在现有噬菌体多样性的内部,而不是分出新的分支。Crook 的结论是:这些设计出来的病毒「在很朴素的视角下,就是原始病毒的兄弟姊妹」。按 302 个候选、16 个成功计算,命中率只有 5.3%。

但序列的新颖性不等于功能的新颖性。论文第一作者 Samuel King 指出,部分生成噬菌体在三维蛋白结构、生长动力学和感染动力学上与 ΦX174 不同——这些才是决定病毒行为的属性。最典型的例子是其中一个噬菌体用了一个截短的 DNA 包装蛋白,这个蛋白来自演化上很远的噬菌体;模型通过重连周围的 DNA,让它在一个 ΦX174 骨架上正常工作,论文用冷冻电镜确认了这一结构。值得注意的是,同样的基因交换此前用传统基因工程手段引入 ΦX174 时被证明不可行,King 称之为「相当新的构型」。

瑞士 Botnar 免疫工程研究所的化学工程师、噬菌体疗法公司 Locus Biosciences 联合创始人 Chase Beisel 认为,这项工作的价值在于搜索进化未曾产生、科学家也未必想到尝试的基因组合,不能据此说它凭空创造了全新的病毒类别。换句话说,「从零」指的是从模型端到端写出整条基因组,而不是从零发明全新的生物学。

合成成本与实验能力,仍限制成果的实际应用

把这项成果直接等同于「AI 造出生化武器」会夸大现实。Hie 估计,如果不是合成服务商 Twist Bioscience 给了折扣,这次实验的 DNA 合成成本约在 10 万到 20 万美元;而且「重启」每一个病毒都需要针对性的实验条件优化、需要领域专家。「我们目前对 AI 提出的遗传改变如何导致致病性提升,理解还不够充分。」他补充说,目前这「确实需要一个非常有才华的跨学科团队」。

伦敦帝国理工学院的合成基因组工程教授 Tom Ellis 的批评更直接:ΦX174 是「字面意义上最小、最容易的基因组」,而「用 AI 完整设计和写出病毒或细菌基因组的威胁被严重夸大了——直接拿现有病原体做功能增强(gain-of-function)改造,要容易得多,也更可能构成真正的致病威胁」。

这些意见表明,模型输出之外,合成、恢复病毒活性和相关领域知识仍是重要限制。限制也可能随技术发展而变化:DNA 合成成本在下降,Evo 2 已免费开源、任何人都可从 GitHub 下载;后续微调也可能削弱「训练时排除了真核病毒」所提供的防护。

专家建议同时加强模型防护、合成筛查与实验室管理

Inglesby 与 Hanke 在评论里把问题表述为治理的时间差:问题已经不是生成式病毒基因组设计会不会存在,而是「社会能否建立监管,既让它的好处得以实现,又防止它造成严重伤害」。他们还明确建议,不应继续把工作推进到能感染人类、动物或植物的病原体上。

伦敦国王学院的科学与国际安全研究者 Filippa Lentzos 则特别强调 DNA 制造环节的监管。「不要把监管单独集中在 AI 模型上,」她说,分层的办法更合理——模型开发与访问的防护、负责任的研究审查、合成筛查,以及实验室层面的生物安全与生物安保。现有的合成筛查(供应商在接单时核对序列是否命中危险病原清单)是当前较可行的干预环节,但它是自愿且不统一的。

Hie 为自己的开源立场辩护的理由也值得记录:现有病原体比 AI 设计更危险、更容易获得和生产,而且自然进化里无法内建安全检查;AI 工具反而给人类提供了应对自然大流行和人为生物威胁的更强手段。

后续还要看设计能力、合成监管与临床试验

对 AI 从业者,这项研究展示了生成能力的一种扩展:模型处理的对象从文本、代码、蛋白质,延伸到了完整基因组。接下来需要观察三个问题。第一,团队能否把同样的方法扩展到更大、更复杂的基因组——Hie 已表示在推进细菌乃至可生产化学品或药物的工程微生物。第二,合成筛查是否会从行业自愿行为升级为硬性监管,这决定「治理滞后」能持续多久。第三,噬菌体鸡尾酒能否进入针对耐药菌的临床试验,检验实验室概念验证能否带来临床疗效。

Hie 在斯坦福新闻稿里给自己列出的开放问题,也正是这项技术的下一道门槛:「如何获得更大的遗传新颖性,如何获得对结果更强的可控性。」在得到答案之前,这项成果支持的是对新序列组合的搜索与实验验证,尚不足以证明模型能够任意设计全新物种。

来源

  • Generative design of bacteriophages with genome language models · Science
  • AI-designed viral genomes · Science
  • AI Can Now Design Functional Viruses. Should We Worry? · IEEE Spectrum
  • Safety fears as scientists make first viruses designed by AI · The Guardian
  • AI designs a novel E. coli killer · Stanford Report
  • AI 设计噬菌体数据的独立分析(牛津,bioRxiv 预印本) · bioRxiv

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