استفاده از هوش مصنوعی برای بازیابی «آنتی‌بیوتیک‌های نئاندرتال»

تهدید باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک

طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی، از آنجایی که جهان سالانه با نزدیک به ۵ میلیون مرگ و میر مرتبط با باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک مواجه است، نیاز به یافتن داروهای بالقوه برای مقابله با این وضعیت بسیار ضروری است.

اکنون، تیمی به رهبری سزار د لا فوئنته، پیشگام بیوتکنولوژی، با استفاده از روش‌های محاسباتی مبتنی بر هوش مصنوعی (AI)، صفات ژنتیکی خویشاوندان منقرض‌شده‌ی انسان مانند نئاندرتال‌ها را بررسی می‌کنند تا آنتی‌بیوتیک‌های آنها را به ۴۰،۰۰۰ سال پیش بازگردانند.

مقاومت آنتی‌بیوتیکی از چه کسی ناشی شد و نئاندرتال‌ها منقرض شدند تصویر 1 — مدل گونه منقرض شده نئاندرتال. عکس: گتی

دانشمندان از طریق تحقیقات، تعدادی مولکول پروتئین یا پپتید کوچک را کشف کردند که توانایی مبارزه با باکتری‌ها را دارند و این می‌تواند راه را برای داروهای جدید برای مبارزه با عفونت‌ها در انسان هموار کند.

آنتی‌بیوتیک‌ها (مانند پنی‌سیلین) آن‌هایی هستند که به طور طبیعی (توسط یک میکروارگانیسم ضدمیکروبی دیگر) تولید می‌شوند، در حالی که آنتی‌باکتریال‌های غیرآنتی‌بیوتیک (مانند سولفونامیدها و ضدعفونی‌کننده‌ها) آن‌هایی هستند که کاملاً مصنوعی تولید می‌شوند.
با این حال، هر دو هدف یکسانی دارند که کشتن یا جلوگیری از رشد میکروارگانیسم‌ها است و هر دو زیر چتر شیمی‌درمانی ضدمیکروبی قرار می‌گیرند. داروهای ضدباکتری شامل ضدعفونی‌کننده‌ها، صابون‌های ضدباکتری، شوینده‌های شیمیایی هستند؛ در حالی که آنتی‌بیوتیک‌ها نوع تخصصی‌تری از داروهای ضدباکتری هستند که در پزشکی و گاهی در خوراک دام استفاده می‌شوند.
آنتی‌بیوتیک‌ها علیه ویروس‌هایی که باعث بیماری‌هایی مانند سرماخوردگی یا آنفولانزا می‌شوند، مؤثر نیستند، بنابراین داروهایی که ویروس‌ها را مهار می‌کنند، داروهای ضدویروس یا آنتی‌ویروس نامیده می‌شوند، نه آنتی‌بیوتیک.

دکتر سزار د لا فوئنته از دانشگاه پنسیلوانیا (ایالات متحده آمریکا)، که رهبری این تیم تحقیقاتی را بر عهده داشت، گفت: «این به ما امکان می‌دهد توالی‌های جدید و انواع جدیدی از مولکول‌ها را که هرگز در موجودات زنده دیده نشده‌اند، کشف کنیم و این امر ما را قادر می‌سازد تا در مورد تنوع مولکولی گسترده‌تر فکر کنیم.» «باکتری‌های امروزی هرگز در معرض این مولکول‌های جدید قرار نگرفته‌اند، بنابراین این می‌تواند فرصت خوبی برای مقابله با پاتوژن‌های صعب‌العلاج امروزی باشد.»

کارشناسان می‌گویند اکتشافات جدید در مورد باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک ضروری است. مایکل ماهان، استاد زیست‌شناسی مولکولی، سلولی و تکاملی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: «جهان با بحران مقاومت آنتی‌بیوتیکی روبرو است... اگر لازم باشد برای یافتن راه‌حل‌های بالقوه برای آینده به گذشته برگردیم، من کاملاً موافق آن هستم.»

پیشنهادهایی از «پارک ژوراسیک»

بیشتر آنتی‌بیوتیک‌ها از باکتری‌ها و قارچ‌هایی سرچشمه می‌گیرند که با غربالگری میکروب‌های ساکن خاک کشف شده‌اند. اما در دهه‌های اخیر، استفاده بیش از حد از آنتی‌بیوتیک‌ها منجر به ایجاد مقاومت در عوامل بیماری‌زا شده است.

در طول دهه گذشته، د لا فوئنته از روش‌های محاسباتی برای ارزیابی پتانسیل پپتیدهای مختلف به عنوان جایگزین آنتی‌بیوتیک استفاده کرده است. روزی در آزمایشگاه، فیلم پرفروش «پارک ژوراسیک» به ذهن تیم رسید و ایده مطالعه مولکول‌های منقرض‌شده را به آنها داد. او گفت: «چرا مولکول‌های گذشته را برنگردانیم؟»

برای یافتن پپتیدهای ناشناخته قبلی، این تیم یک الگوریتم هوش مصنوعی را آموزش داد تا مکان‌های تکه‌تکه شده در پروتئین‌های انسانی را که ممکن است فعالیت ضدباکتریایی داشته باشند، تشخیص دهد. سپس دانشمندان آن را روی توالی‌های پروتئینی موجود در دسترس عموم از انسان‌های هوشمند، نئاندرتال‌ها و دنیسوواها، یکی دیگر از گونه‌های باستانی انسان که با نئاندرتال‌ها ارتباط نزدیکی دارد، اعمال کردند.

سپس این تیم از خواص پپتیدهای ضدباکتریایی قبلی برای پیش‌بینی اینکه کدام پپتیدهای باستانی به احتمال زیاد باکتری‌ها را از بین می‌برند، استفاده کرد.

در مرحله بعد، تیم تحقیقاتی ۶۹ پپتید امیدوارکننده را سنتز و آزمایش کرد تا ببیند آیا می‌توانند باکتری‌ها را از بین ببرند یا خیر. این تیم شش پپتید قوی‌تر را انتخاب کرد، از جمله چهار پپتید از انسان‌های مدرن، یکی از نئاندرتال‌ها و یکی از دنیسوواها.

این تیم آنها را در معرض موش‌های آلوده به باکتری آسینتوباکتر بومانی، که یکی از علل شایع عفونت‌های بیمارستانی در انسان است، قرار داد. (عفونت بیمارستانی عفونتی است که بیمار در بیمارستان به آن مبتلا می‌شود و هنگام بستری شدن به آن مبتلا نبوده است.)

مقاومت آنتی‌بیوتیکی از چه کسی ناشی شد و نئاندرتال‌ها منقرض شدند تصویر 2 — سزار د لا فوئنته، پیشگام بیوتکنولوژی از دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید از شش پپتید انتخاب شده توسط الگوریتم، یکی از پپتیدهای نئاندرتال‌ها در مبارزه با عوامل بیماری‌زا در موش‌های آلوده به باکتری مؤثرترین بود. (عکس: دانشگاه پنسیلوانیا)

د لا فوئنته گفت: «فکر می‌کنم یکی از هیجان‌انگیزترین لحظات زمانی بود که ما مولکول‌ها را در آزمایشگاه به صورت شیمیایی بازسازی کردیم و سپس برای اولین بار آنها را به زندگی بازگرداندیم. دیدن این موضوع از دیدگاه علمی شگفت‌انگیز بود.»

در موش‌های آلوده به آبسه‌های پوستی، پپتیدها به طور فعال باکتری‌ها را از بین بردند؛ در موش‌های مبتلا به عفونت ران، پپتیدها کمتر مؤثر بودند اما همچنان از رشد باکتری‌ها جلوگیری کردند.

د لا فوئنته گفت: «بهترین پپتید، پپتیدی بود که ما آن را نئاندرتال ۱ می‌نامیم، از نئاندرتال‌ها، و همان پپتیدی بود که در موش‌ها بهترین عملکرد را داشت.»

تحقیقات بیشتری لازم است

با این حال، آقای د لا فوئنته تأکید کرد که هیچ یک از پپتیدها «آماده استفاده به عنوان آنتی‌بیوتیک نیستند» و در عوض نیاز به اصلاحات زیادی دارند. در تحقیقاتی که قرار است سال آینده منتشر شود، او و همکارانش یک مدل یادگیری عمیق جدید برای بررسی توالی پروتئین ۲۰۸ موجود منقرض شده که اطلاعات ژنتیکی دقیقی از آنها در دسترس بود، توسعه دادند.

این تیم بیش از ۱۱۰۰۰ پپتید ضدمیکروبی بالقوه که قبلاً کشف نشده بودند و فقط در موجودات منقرض‌شده یافت می‌شدند را پیدا کرد و امیدوارکننده‌ترین پپتیدها را از ماموت پشمالوی سیبری، گاو دریایی استلر (پستانداری دریایی که در قرن ۱۸ به دلیل شکار در قطب شمال منقرض شد)، تنبل غول‌پیکر و گوزن شمالی غول‌پیکر ایرلندی (Megaloceros giganteus) سنتز کرد. او گفت پپتیدهای تازه کشف‌شده «فعالیت ضدعفونت عالی» در موش‌ها داشتند.

دکتر دیمیتری گیلاروف، رهبر گروه در مرکز جان اینز در بریتانیا، گفت که تنگنای یافتن آنتی‌بیوتیک‌های جدید این است که می‌توانند ناپایدار باشند و سنتز آنها دشوار باشد. گیلاروف گفت: «بسیاری از این آنتی‌بیوتیک‌های پپتیدی وجود دارند که به دلیل مشکلاتی مانند سمیت، توسط صنعت توسعه داده نشده و دنبال نمی‌شوند.»

بر اساس مقاله‌ای که در ماه مه ۲۰۲۱ منتشر شد، از بین ۱۰ هزار ترکیب امیدوارکننده‌ای که توسط محققان شناسایی شده‌اند، تنها یک یا دو آنتی‌بیوتیک از سازمان غذا و داروی ایالات متحده تأیید دریافت کرده‌اند.

دکتر مونیک ون هوک، استاد و مدیر تحقیقات دانشکده زیست‌شناسی سیستم‌ها در دانشگاه جورج میسون (ایالات متحده آمریکا)، گفت که بسیار نادر است که یک پپتید موجود در طبیعت مستقیماً یک داروی جدید یا آنتی‌بیوتیک جدید دیگری ایجاد کند.

به گفته ون هوک، کشف یک پپتید جدید، زمینه را برای محققان فراهم می‌کند تا از تکنیک‌های محاسباتی برای بررسی و بهینه‌سازی پتانسیل این پپتید به عنوان یک آنتی‌بیوتیک جدید استفاده کنند.

ون هوک در حال حاضر تحقیقات خود را بر روی یک پپتید مصنوعی مشتق شده از یک پپتید طبیعی موجود در تمساح‌های آمریکایی متمرکز کرده است. این پپتید در حال حاضر تحت آزمایش‌های پیش‌بالینی قرار دارد.

خانم ون هوک می‌گوید، اگرچه ممکن است تهیه آنتی‌بیوتیک‌های جدید از تمساح‌ها یا انسان‌های منقرض‌شده عجیب به نظر برسد، اما شدت مقاومت باکتری‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها چنین تحقیقاتی را ارزشمند می‌کند.

Hoai Phuong (طبق گزارش CNN)

منبع