Trí tuệ nhân tạo đang bước sang một giai đoạn ứng dụng mới: không chỉ tạo ra văn bản, hình ảnh hay mã máy tính mà còn có thể hỗ trợ con người thiết kế những trình tự di truyền có khả năng hoạt động trong thế giới thực.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học thuộc Đại học Stanford và Viện Arc (Mỹ) đã sử dụng AI để tạo ra hàng trăm thiết kế mới của thể thực khuẩn (bacteriophage), một nhóm virus có khả năng tấn công vi khuẩn.

Sau khi những thiết kế này được kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm, một số đã tạo thành các thể thực khuẩn hoạt động được, có khả năng nhân lên và tiêu diệt vi khuẩn Escherichia coli (E. coli).

Kết quả đang thu hút sự quan tâm bởi thể thực khuẩn từ lâu đã được nghiên cứu như một trong những hướng tiềm năng để đối phó với tình trạng vi khuẩn kháng kháng sinh.

AI được sử dụng để thiết kế virus như thế nào?

Theo nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng những mô hình AI được đào tạo trên lượng dữ liệu di truyền rất lớn.

Cách tiếp cận này có một số điểm tương đồng với mô hình ngôn ngữ.

Một chatbot AI có thể được huấn luyện trên lượng văn bản khổng lồ để học cách các từ, câu và cấu trúc ngôn ngữ liên hệ với nhau. Sau quá trình huấn luyện, hệ thống có thể tạo ra những đoạn văn bản mới dựa trên những quy luật đã học.

Với AI sinh học, đối tượng được xử lý không phải từ và câu mà là những trình tự di truyền.

Giáo sư Ran Nir-Paz, chuyên gia bệnh truyền nhiễm tại Trung tâm Y tế Hadassah và phụ trách lâm sàng Trung tâm Liệu pháp Thể thực khuẩn Israel, ví cách AI xử lý thông tin di truyền với cách các mô hình ngôn ngữ xử lý văn bản.

Hai mô hình Evo 1 và Evo 2 được huấn luyện trên lượng lớn dữ liệu di truyền nhằm học “ngôn ngữ” của DNA và RNA, qua đó có khả năng tạo ra những trình tự mới.

Nói cách khác, thay vì yêu cầu AI viết một đoạn văn chưa từng tồn tại, các nhà nghiên cứu sử dụng AI để đề xuất những trình tự di truyền mới.

Bước quan trọng tiếp theo là kiểm nghiệm xem những thiết kế trên máy tính có thực sự hoạt động trong môi trường sinh học hay không.

285 thiết kế được thử nghiệm, 16 virus có thể hoạt động

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm tổng cộng 285 thiết kế do AI tạo ra.

Kết quả cho thấy 16 thiết kế có thể tạo thành thể thực khuẩn hoạt động, có khả năng nhân lên và tấn công vi khuẩn E. coli.

Tỷ lệ thành công vẫn còn tương đối thấp, nhưng việc các trình tự được AI thiết kế có thể trở thành những hệ thống sinh học hoạt động thực sự là điểm đáng chú ý của nghiên cứu.

Đặc biệt, khi kết hợp một số thể thực khuẩn mới, các nhà khoa học còn có thể tấn công những vi khuẩn đã phát triển khả năng kháng lại thể thực khuẩn ban đầu.

Điều này mở ra một hướng nghiên cứu quan trọng trong bối cảnh vi khuẩn có khả năng tiến hóa và hình thành cơ chế chống lại các phương pháp tiêu diệt chúng.

Vì sao virus lại có thể giúp con người chống vi khuẩn?

Nhắc đến virus, nhiều người thường nghĩ ngay đến những tác nhân gây bệnh cho con người.

Tuy nhiên, thể thực khuẩn lại có mục tiêu hoàn toàn khác.

Bacteriophage là những virus chuyên xâm nhập và ký sinh trên vi khuẩn. Một số thể thực khuẩn có thể đưa vật liệu di truyền vào tế bào vi khuẩn, sử dụng bộ máy của vi khuẩn để nhân lên và cuối cùng phá hủy tế bào chủ.

Khả năng tấn công tương đối chọn lọc khiến chúng từ lâu đã được nghiên cứu để điều trị nhiễm khuẩn.

Lĩnh vực này thường được gọi là liệu pháp thể thực khuẩn (phage therapy).

Sự quan tâm đối với liệu pháp này ngày càng tăng khi tình trạng kháng kháng sinh trở thành một thách thức y tế toàn cầu.

AI có thể mở thêm hướng đối phó vi khuẩn kháng thuốc

Kháng kháng sinh xảy ra khi vi khuẩn thay đổi và không còn bị tiêu diệt hoặc kiểm soát hiệu quả bởi những loại kháng sinh vốn được sử dụng để điều trị.

Khi đó, các bệnh nhiễm khuẩn thông thường có thể trở nên khó điều trị hơn, thời gian nằm viện kéo dài và nguy cơ biến chứng cũng tăng lên.

Một trong những ứng dụng tiềm năng được Giáo sư Ran Nir-Paz nhấn mạnh chính là sử dụng công nghệ mới để hỗ trợ điều trị những bệnh nhiễm khuẩn kháng thuốc.

Thể thực khuẩn có thể tấn công vi khuẩn theo cơ chế khác với kháng sinh. Do đó, chúng đang được nghiên cứu như một phương án bổ sung hoặc trong một số bối cảnh nhất định là hướng thay thế khi các phương pháp truyền thống không còn hiệu quả.

Nếu AI có thể hỗ trợ thiết kế nhanh các thể thực khuẩn có đặc tính mong muốn, công nghệ này về lâu dài có thể giúp mở rộng “kho vũ khí” chống lại những chủng vi khuẩn khó điều trị.

Khi vi khuẩn kháng lại virus, AI có thể tiếp tục tạo phương án mới?

Một chi tiết đáng chú ý trong nghiên cứu là các nhà khoa học đã thử kết hợp một số thể thực khuẩn mới để tấn công những vi khuẩn phát triển khả năng kháng lại thể thực khuẩn ban đầu.

Đây là vấn đề quan trọng bởi vi khuẩn không chỉ có thể kháng thuốc mà còn có khả năng tiến hóa để chống lại thể thực khuẩn.

Nếu một phương pháp chỉ dựa trên duy nhất một loại thể thực khuẩn, những vi khuẩn sống sót có thể tiếp tục sinh sản và tạo thành quần thể có khả năng kháng tốt hơn.

Việc có thể thiết kế hoặc phối hợp nhiều thể thực khuẩn khác nhau vì vậy có thể trở thành một hướng để đối phó với quá trình tiến hóa này.

AI có lợi thế trong việc phân tích lượng dữ liệu di truyền rất lớn và tìm kiếm những phương án mà con người khó có thể thử nghiệm thủ công trong thời gian ngắn.

Nhưng 269/285 thiết kế chưa tạo thành virus hoạt động

Dù kết quả gây chú ý, nghiên cứu cũng cho thấy công nghệ thiết kế sinh học bằng AI vẫn còn ở giai đoạn đầu.

Trong 285 thiết kế được thử nghiệm, chỉ 16 thiết kế tạo ra thể thực khuẩn hoạt động.

Điều đó đồng nghĩa phần lớn các thiết kế AI tạo ra chưa đạt kết quả mong muốn trong thử nghiệm.

Một nguyên nhân quan trọng là hiểu biết của con người về bộ gen của thể thực khuẩn vẫn còn hạn chế.

Theo các chuyên gia, chức năng của khoảng 60% số gene và protein trong bộ gen thể thực khuẩn vẫn chưa được xác định đầy đủ.

AI vì vậy đang hoạt động trong một lĩnh vực mà ngay chính các nhà khoa học vẫn còn rất nhiều điều chưa hiểu hết.

Ở chiều ngược lại, đây cũng chính là lý do AI được kỳ vọng có thể hỗ trợ nghiên cứu. Khả năng tìm kiếm những quy luật phức tạp trong lượng dữ liệu khổng lồ có thể giúp các nhà khoa học khám phá thêm những phần của thế giới sinh học mà các phương pháp truyền thống chưa giải mã được.

Virus do AI thiết kế có nguy hiểm với con người?

Khả năng AI thiết kế virus dễ làm dấy lên lo ngại về những nguy cơ đối với con người.

Tuy nhiên, cần phân biệt rõ loại virus được sử dụng trong nghiên cứu này.

Giáo sư Tal Brosh, Giám đốc Đơn vị Bệnh truyền nhiễm tại Bệnh viện Assuta Ashdod (Israel), nhấn mạnh những thể thực khuẩn trong nghiên cứu không gây nguy hiểm trực tiếp cho con người bởi mục tiêu của chúng là vi khuẩn.

Nghiên cứu cũng không đồng nghĩa AI đã tự tạo ra một loại virus gây bệnh mới ở người.

Dù vậy, sự phát triển của công nghệ thiết kế sinh học vẫn đặt ra những vấn đề an toàn cần được xem xét nghiêm túc.

Vì sao thiết kế sinh học bằng AI vẫn làm dấy lên lo ngại?

Vấn đề lớn hơn không chỉ nằm ở những thể thực khuẩn cụ thể được tạo ra trong nghiên cứu mà ở năng lực công nghệ đang dần hình thành.

Sinh học tổng hợp đang giúp con người chuyển từ việc quan sát và chỉnh sửa những hệ thống sinh học có sẵn sang khả năng thiết kế những trình tự và chức năng sinh học mới.

Khi kết hợp với AI, quá trình thiết kế có thể trở nên nhanh hơn và có khả năng khám phá không gian các trình tự di truyền rộng hơn.

Điều này mang đến tiềm năng lớn cho y học nhưng cũng đặt ra bài toán sử dụng kép.

Một công nghệ có thể được dùng để thiết kế thể thực khuẩn chống vi khuẩn kháng thuốc, hỗ trợ phát triển vaccine hoặc nghiên cứu thuốc cũng có thể tiềm ẩn nguy cơ bị sử dụng sai mục đích nếu thiếu cơ chế kiểm soát thích hợp.

Ngoài nguy cơ cố ý lạm dụng, các chuyên gia cũng lưu ý đến khả năng xảy ra sự cố trong nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

Do đó, sự phát triển của AI trong sinh học cần đi cùng các tiêu chuẩn về an toàn sinh học, kiểm soát nghiên cứu và đánh giá rủi ro.

AI có thể giúp phát triển vaccine và thuốc nhanh hơn

Khả năng thiết kế và phân tích các trình tự di truyền không chỉ có ý nghĩa đối với liệu pháp thể thực khuẩn.

Trong tương lai, những công nghệ tương tự có thể hỗ trợ nghiên cứu vaccine có khả năng bảo vệ trước nhiều biến thể, phân tích protein, tìm kiếm mục tiêu điều trị mới và rút ngắn một số công đoạn trong quá trình phát triển thuốc.

AI đặc biệt hữu ích trong những bài toán có số lượng khả năng quá lớn để con người có thể kiểm tra từng trường hợp bằng phương pháp thông thường.

Thay vì thay thế hoàn toàn các thí nghiệm, AI có thể giúp thu hẹp phạm vi tìm kiếm và đề xuất những ứng viên tiềm năng để các nhà khoa học tiếp tục kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Từ “mã máy tính” đến sự sống: AI đang bước sang một giới hạn mới

Điểm đáng chú ý nhất của nghiên cứu không chỉ nằm ở con số 16 thể thực khuẩn hoạt động.

Nó cho thấy những thiết kế được tạo ra trên máy tính có thể được chuyển thành các hệ thống sinh học có khả năng hoạt động trong thế giới thực.

Nếu AI tạo sinh từng gây ấn tượng bằng khả năng tạo văn bản, hình ảnh, âm thanh hay phần mềm, sự xuất hiện của các mô hình được huấn luyện trên dữ liệu di truyền đang mở ra một lĩnh vực hoàn toàn khác: AI tạo sinh cho sinh học.

Đây có thể trở thành công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu thuốc, vaccine và giải pháp chống vi khuẩn kháng thuốc.

Nhưng sức mạnh càng lớn cũng đồng nghĩa yêu cầu kiểm soát càng cao.

Thành tựu tạo ra thể thực khuẩn bằng AI vì vậy cho thấy hai mặt của cùng một bước tiến: một bên là triển vọng giúp con người giải quyết những thách thức y tế khó khăn, bên còn lại là yêu cầu xây dựng những hàng rào an toàn đủ mạnh khi khoảng cách giữa một thiết kế trên máy tính và một hệ thống sinh học thực sự đang ngày càng thu hẹp.