麻省理工学院的研究人员将牵头开展一项资助规模最高达5300万美元的项目，该资助由美国高级研究计划局健康部门（ARPA-H）授予，属于其"农业投入品高效追踪与韧性系统"（STREAM）计划的一部分，旨在开发既能帮助农民又能保护人类健康的新一代除草剂。

美国每年使用超过10亿磅的除草剂。除草剂通过防止杂草造成的严重作物损失来帮助农民，并支持能够保护土壤的再生农业实践，但一些杂草正逐渐对最常用的除草剂产生抗药性。

接触除草剂可能增加患癌症、代谢和内分泌疾病及其他不良健康后果的风险。农场工人因频繁使用除草剂而面临较高暴露风险，但许多美国居民也会通过食物和饮用水少量接触这些化学物质。

麻省理工学院领导的研究团队将开发新的生成式AI工具，帮助发现更有效且充分考虑人类健康的除草剂替代方案。这些替代方案还可能有助于减少美国对进口磷的依赖，而磷是主要除草剂草甘膦的关键原料。

"草甘膦和莠去津等除草剂正面临真正的危机，因为抗药性突变正在出现，"麻省理工学院生物工程系主任克里斯托弗·沃伊特说。"如果将抗药性突变问题与除草剂前体供应链的国家安全问题结合起来看，我们可能会发现自己失去了这些对于实现美国目前所享有的高作物产量和经济价格至关重要的核心农用化学品。"

沃伊特是该项目的首席研究员，该项目名为"精准学习靶向除草"（PLOW）。研究团队预计还将包括来自麻省理工学院与哈佛大学博德研究所、北卡罗来纳大学教堂山分校、田纳西大学诺克斯维尔分校、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校以及Robigo公司的研究人员。

研究人员分为三个小组，分别负责项目的不同方面，与STREAM计划的技术领域相对应。生成式AI小组将开发能够预测分子的模型——无论是化合物还是小干扰RNA（siRNA）——这些分子能够破坏草甘膦等除草剂所针对的同一种植物酶。

草甘膦通过干扰一种名为EPSP合酶的酶来杀死杂草，植物需要这种酶来合成几种关键氨基酸。经过多年的除草剂使用，一些杂草已经开始获得基因突变，使其对这些除草剂产生抗药性，这降低了除草剂的效果，并对作物产量构成重大威胁。

"由于不断出现的抗药性突变，确实需要新的除草剂，"沃伊特说。"人们也担心除草剂可能对环境和人类产生的影响，因此寻找制造除草剂的替代方法非常重要，作为一大类分子，除草剂对农业而言确实至关重要。"

麻省理工学院领导的团队计划设计生成式AI模型，使其能够预测有助于防止抗药性产生的分子。这些模型还将针对其他特性进行优化，例如低合成成本、低诱发抗药性风险以及对人类或生态环境造成伤害的低风险。

负责开发这些AI模型的小组由麻省理工学院沃伦·K·刘易斯化学工程副教授康纳·科利、麻省理工学院工程学院AI与健康杰出教授蕾吉娜·巴尔齐莱，以及北卡罗来纳大学埃谢尔曼药学院K.H.李杰出教授亚历山大·特罗普沙共同领导。

这些模型预计将生成数十亿个候选分子，随后将由第二个研究小组进行测试。这个高通量筛选小组由麻省理工学院查尔斯·W和珍妮弗·C·约翰逊生物工程教授安吉拉·科勒，以及博德研究所治疗方法开发中心科学推广与合作筛选副主任杰米·齐亚共同领导。

"这些化合物库将接受筛选，一方面是为了识别出能够命中靶点的分子，另一方面也是为了将所有筛选数据反馈给计算方法，以便对其进行改进，"沃伊特说。

一旦候选分子池缩小范围，第三个团队的研究人员将开始温室研究，评估每种分子在不同农业条件下的表现。该团队将由田纳西大学诺克斯维尔分校农业合成生物学中心联合主任尼尔·斯图尔特和斯科特·莱纳根、伊利诺伊大学汤姆与佩吉·安斯沃斯作物科学教授帕特里克·特拉内尔、北卡罗来纳大学埃谢尔曼药学院哈罗德·科恩杰出教授蒂姆·威尔逊，以及2020年博士毕业、Robigo公司首席执行官兼创始人安迪·华莱士共同领导。

首批初始RNAi候选分子的温室测试预计将在项目第一年年底前完成。

作为该项目的一部分，研究团队还将开发能够在农用化学品到达食物、土壤或水道之前将其降解的活体微生物系统。经过工程改造的细菌、真菌和小RNA将把化学物质和配方成分转化为生物质，为减少环境和人类暴露提供一种可扩展的策略。

该研究由美国高级研究计划局健康部门（ARPA-H）资助，协议编号为140D042690030。本文所含观点和结论均为作者本人观点，不应被解读为代表美国政府的官方政策（无论明示或暗示）。