رمزگشایی کامل ژنوم فاژ G، بزرگترین ویروس باکتریایی جهان، با کمک هوش مصنوعی

پژوهشگران بین‌رشته‌ای به رهبری دانشگاه کارولینای شمالی در شارلوت (UNC Charlotte)، با بهره‌گیری از روش‌های پیشرفته رایانشی و تحلیل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، موفق به رمزگشایی کامل ژنوم فاژ G (Phage G)، بزرگترین ویروس باکتریایی شناخته‌شده در جهان شدند؛ دستاوردی که دریچه‌ای تازه به سوی درک مگافاژها و کاربردهای درمانی آن‌ها می‌گشاید.

رمزگشایی بزرگترین ویروس باکتریایی جهان

فاژ G که از خانواده مگافاژ‌ها (Megaphages) است، نخستین ویروسی از این نوع به‌شمار می‌رود که توانسته در محیط آزمایشگاهی کشت و مشاهده شود. این موفقیت بزرگ که در نشریه معتبر npj Viruses (وابسته به Nature) منتشر شده است، حاصل تلاش تیمی گسترده از متخصصان است.

تیم پژوهشی و همکاری‌های بین‌دانشگاهی

این پروژه تحت هدایت ریچارد آلن وایت سوم، استاد بیوانفورماتیک و ژنومیک دانشگاه شارلوت، و با مشارکت دانشجویان کارشناسی‌ارشد این دانشگاه، آندرا بوچان و استفانی ویدمن، انجام شد. همچنین پژوهشگرانی از سه مؤسسه دیگر در این دستاورد سهیم بودند:

• جولی توماس از مؤسسه فناوری راچستر
• چی‌بین ژانگ از دانشگاه کارولینای شمالی در گرینزبورو
• فیلیپ سرور از دانشگاه علوم سلامت تگزاس (UT Health San Antonio)

فاژ G: استثنایی در میان مگافاژها

فاژ‌ها یا باکتری‌خوار‌ها ویروس‌هایی هستند که باکتری‌ها را آلوده و نابود می‌کنند و اگرچه برای انسان‌ها بیماری‌زا نیستند، اما بر عملکرد باکتری‌های مفید یا مضر بدن تأثیر می‌گذارند. مگافاژ‌ها گونه‌هایی بسیار بزرگ از فاژ‌ها هستند که تا پیش از این تنها از طریق داده‌های DNA محیطی شناسایی می‌شدند و امکان کشت یا مشاهده آن‌ها در آزمایشگاه وجود نداشت.

فاژ G یک استثنای مهم است. این ویروس تنها مگافاژی است که تاکنون در محیط آزمایشگاهی رشد کرده و مورد مطالعه مستقیم قرار گرفته است. این امکان به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا به‌طور مستقیم رفتار، ساختار و چرخه حیات آن را بررسی کنند. به گفته ریچارد آلن وایت سوم، این امر «دروازه‌ای تازه برای مطالعه و مهندسی مگافاژ‌ها در کاربرد‌های زیست‌پزشکی» می‌گشاید.

نقش محوری هوش مصنوعی در تحلیل ژنوم

پروژه رمزگشایی ژنوم فاژ G در مرکز هوش محاسباتی برای پیش‌بینی خطرات سلامت و محیط زیست (CIPHER) وابسته به UNC Charlotte انجام شد. در این مرکز، همکاری نزدیک میان دانشمندان علوم رایانه و زیست‌شناسی، استفاده گسترده از هوش مصنوعی را برای حل مسائل پیچیده سلامت و محیط زیست ممکن ساخته است.

محققان در این مطالعه، با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین و تحلیل‌های ژنومی هوشمند، موفق به پیش‌بینی ساختار پروتئینی، چرخه حیاتی و طبقه‌بندی تبارشناختی فاژ G شدند. استفانی ویدمن، یکی از پژوهشگران اصلی، در این باره می‌گوید:

داده‌های زیستی معمولا با نویز بالا همراه‌اند و درک آن‌ها بدون ابزار‌های هوش مصنوعی تقریباً ناممکن است. ابزار‌های هوش مصنوعی به ما کمک کردند تا نظم پنهان در این داده‌ها را بیابیم و بفهمیم این ویروس چگونه عمل می‌کند.

ابعاد عظیم و منشأ نامشخص

فاژ G از نظر اندازه فیزیکی بیش از سه برابر بسیاری از فاژ‌های شناخته‌شده است و ژنوم آن از بزرگ‌ترین ژنوم‌های ویروسی است که تاکنون به‌طور تجربی شناسایی شده است. با این حال، منشأ دقیق این ویروس هنوز ناشناخته مانده است.

اگرچه برخی محققان حدس می‌زنند که این فاژ با مگافاژی که پیش‌تر در روده گوزن شمالی (moose) شناسایی شده بود، شباهت‌هایی دارد، اما مدرکی مبنی بر اینکه میزبان اصلی فاژ G همین حیوان باشد، در دست نیست. منبع واقعی این ویروس همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار دارد و حتی روایتی مبنی بر ورود تصادفی آن توسط یک دانشجو به آزمایشگاه در رم نقل می‌شود.

آینده درمانی: فاژدرمانی و مقاومت آنتی‌بیوتیکی

فاژ‌ها امروزه به عنوان جایگزین یا مکمل آنتی‌بیوتیک‌ها برای مقابله با باکتری‌های مقاوم به دارو مورد توجه قرار گرفته‌اند. آندرا بوچان، یکی دیگر از پژوهشگران اصلی پروژه، کاربرد درمانی فاژها را اینگونه توضیح می‌دهد:

فاژ‌ها مانند بسته‌هایی از DNA هستند که می‌توانند محموله ژنتیکی خود را به مقصد خاصی ارسال کنند. ما می‌توانیم از آن‌ها برای حمل اطلاعات ژنتیکی و نابودی باکتری‌های هدف استفاده کنیم.

فاژ G به‌عنوان تنها مگافاژ قابل‌کشت، فرصتی بی‌نظیر برای درک نحوه تکامل و بقای ویروس‌های غول‌پیکر در برابر رقابت شدید ویروس‌های کوچک‌تر فراهم کرده است. این تیم پژوهشی امیدوار است یافته‌های آن‌ها مسیر را برای توسعه ابزار‌های درمانی جدید علیه عفونت‌های مقاوم به دارو هموار کند و نقش فزاینده هوش مصنوعی در زیست‌پژوهی را بیش از پیش نمایان سازد.