Cell | AI揭示细菌进化关键：镜像实验科学解码基因转移机制

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人工智能（AI）模型近年来被提出用于生成科学假设，但检验其是否能够驱动高影响力研究仍具挑战。研究人员利用一个基于大语言模型（LLM）的平台“AI共同科学家”，对一个曾耗费多年实验才解决但尚未发表的科学问题进行测试：帽壳形成型噬菌体诱导染色体岛（cf-PICIs）是如何在不同细菌种间传播的？ 出人意料的是，AI共同科学家排名最高的假设与研究人员实验验证的机制一致：cf-PICIs 通过劫持多种噬菌体尾部来扩大宿主范围。研究人员进一步分析其前五个假设，其中部分为实验室带来新的研究方向。与其他LLM的比较显示，AI共同科学家在该任务中表现最优。结果表明，AI不仅是辅助工具，更可作为创造性引擎，加速发现并重塑科学假设的生成与验证方式。

近年来会话式人工智能快速发展，显示出在生物医学发现中的巨大潜力。然而，AI是否能提出真正新颖且具影响力的科学假设仍不确定。为了探究这一问题，研究人员测试了“AI共同科学家”系统，让其面对一个长期未解的问题：cf-PICIs 这种独特的噬菌体卫星元件，常常出现在不同的细菌物种中，而传统噬菌体宿主范围较窄。研究人员此前已通过多年实验揭示其机制，但未公开，从而保证了AI无法依赖先验知识。测试的结果提供了一个独立检验AI创造力的机会。

AI提出的研究方向

AI共同科学家给出了五个主要研究方向，并通过Elo评分进行排序：

• 衣壳–尾部相互作用：研究cf-PICI衣壳与多种噬菌体尾部的结合方式。
• 整合机制：探讨cf-PICIs如何在不同细菌基因组中整合。
• 进入机制：提出cf-PICIs或许存在非传统的进入途径。
• 辅助噬菌体与环境因素：考虑广泛生态背景下的传播可能性。
• 替代转移与稳定机制：如接合、胞外囊泡等方式。

此外还提出了一些“意料之外的研究领域”，如与其他可移动遗传元件的互作、群体感应作用和生物膜影响等。

衣壳–尾部相互作用

这是排名最高的假设，且与实验结果完全吻合。研究人员发现cf-PICIs能形成无尾衣壳，当细胞裂解时，这些结构释放到环境中，再与来自不同噬菌体的尾部结合，形成嵌合感染性颗粒。尾部决定了宿主范围，因此cf-PICIs能够跨物种传播。进一步实验表明cf-PICI特定的适配蛋白与连接蛋白决定尾部结合特异性。AI提出的研究建议（如利用冷冻电镜解析相互作用界面、研究适配蛋白多样性）与实验进展高度一致。

整合机制

尽管未直接解释跨物种传播，但AI提出cf-PICIs在转移后需依赖整合机制稳定存在。研究人员的基因组分析确实发现cf-PICI整合位点在多种细菌间保守，从而支持这一思路。

进入机制

AI假设cf-PICIs或许能直接与细菌受体结合、通过外膜囊泡转移，或直接与细胞膜相互作用。虽然实验最终确认尾部是必需的，但这些设想为对照实验提供了重要启发，并可能在少数情况下成立。

辅助噬菌体与环境因素

AI提出辅助噬菌体种类、普遍转导、前噬菌体作用及环境压力均可能影响传播。这些观点虽不新颖，但为理解更广泛的卫星元件生物学提供了背景。

替代转移与稳定机制

最具创新性的假设是cf-PICIs可能通过接合转移，例如与接合质粒结合或劫持其转移起点序列。这一观点此前未被提出，现已成为实验室新方向。

意料之外的研究领域

包括与其他遗传元件互作、群体感应调控、生物膜促进作用等。这些虽不直接解释跨物种传播，但为拓展研究范围提供了新的思路。

与其他AI系统比较

研究人员还测试了OpenAI、Gemini、Claude、DeepSeek等系统。结果表明，虽然部分系统提出了有趣想法，但唯有AI共同科学家准确重现了实验发现。这凸显了其在复杂生物问题上生成可验证假设的独特能力。

讨论

本研究为AI如何参与科学发现提供了有力案例。AI共同科学家在没有先验信息的情况下，独立提出了与实验结果一致的机制：cf-PICIs通过劫持不同噬菌体尾部实现跨物种传播。这一结论显示出AI能够克服人类因既有模式带来的思维局限。研究人员曾长期假设cf-PICIs完全依赖辅助噬菌体，因此忽视了“无尾颗粒”的可能性，导致研究进展缓慢。而AI的假设则迅速突破了这一偏见。

与其他AI模型的对比表明，并非所有系统都能得出正确答案，说明AI生成的假设仍需结合领域知识与实验验证。未来科学生态中，AI可能更多作为**“假设引擎”**存在，快速产出机制性、可检验的思路，但优先级评估、知识产权、署名归属等新问题亟需规范。

总体而言，这项研究展示了AI在科学发现中的创造性潜能。若能建立合理框架，将人类批判性思维与AI生成能力结合，AI不仅能加速研究，还可能推动科学范式的转变。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Penade ́ s et al., AI mirrors experimental science to uncover a mechanism of gene transfer crucial to bacterial evolution, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.018

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