Gebruik van AI om 'Neanderthaler-antibiotica' terug te brengen

De dreiging van antibioticaresistente bacteriën

Volgens de WHO sterven er wereldwijd elk jaar bijna 5 miljoen mensen aan antibioticaresistente bacteriën. Er is dan ook een enorme dringende behoefte aan potentiële medicijnen om deze situatie aan te pakken.

Nu gebruikt een team onder leiding van biotechnologisch pionier César de la Fuente computermethoden op basis van kunstmatige intelligentie (AI) om genetische kenmerken van uitgestorven menselijke verwanten zoals de Neanderthalers te achterhalen en hun antibiotica 40.000 jaar geleden te herstellen.

Model van de uitgestorven Neanderthalersoort. Foto: Getty

Door middel van onderzoek hebben wetenschappers een aantal kleine eiwit- of peptidemoleculen ontdekt die bacteriën kunnen bestrijden. Dit kan de weg vrijmaken voor nieuwe medicijnen om infecties bij mensen te bestrijden.

Antibiotica (zoals penicilline) zijn middelen die op natuurlijke wijze worden geproduceerd (door een ander antimicrobieel micro-organisme), terwijl niet-antibiotische antibacteriële middelen (zoals sulfonamiden en antiseptica) volledig synthetisch zijn.

Beide hebben echter hetzelfde doel: het doden of voorkomen van de groei van micro-organismen, en vallen beide onder de noemer antimicrobiële chemotherapie. Antibacteriële middelen omvatten antiseptica, antibacteriële zepen en chemische reinigingsmiddelen; antibiotica zijn daarentegen de meer gespecialiseerde vorm van antibacteriële middelen die in de geneeskunde en soms ook in diervoeders worden gebruikt.

Antibiotica werken niet tegen virussen die ziekten als verkoudheid of griep veroorzaken. Medicijnen die virussen remmen, worden daarom antivirale middelen genoemd en geen antibiotica.

"Het stelt ons in staat nieuwe sequenties te ontdekken , nieuwe soorten moleculen die nog nooit eerder in levende organismen zijn gezien, wat ons de mogelijkheid geeft om breder na te denken over moleculaire diversiteit", aldus dr. Cesar de la Fuente van de Universiteit van Pennsylvania (VS), die het onderzoeksteam leidde. "De bacteriën van vandaag zijn nog nooit blootgesteld aan deze nieuwe moleculen, dus dit zou een goede kans kunnen zijn om de moeilijk te behandelen ziekteverwekkers van vandaag aan te pakken."

Deskundigen zeggen dat nieuwe ontdekkingen over antibioticaresistente bacteriën dringend nodig zijn. "De wereld kampt met een crisis op het gebied van antibioticaresistentie... Als we terug in de tijd moeten om mogelijke oplossingen voor de toekomst te bedenken, ben ik daar helemaal voor", aldus Michael Mahan, hoogleraar moleculaire, cel- en ontwikkelingsbiologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Suggesties uit “Jurassic Park”

De meeste antibiotica zijn afkomstig van bacteriën en schimmels, ontdekt door screening van in de bodem levende microben. Maar de afgelopen decennia heeft overmatig antibioticagebruik geleid tot resistentieontwikkeling bij ziekteverwekkers.

De la Fuente heeft de afgelopen tien jaar computationele methoden gebruikt om de potentie van verschillende peptiden als alternatief voor antibiotica te evalueren. Op een dag in het lab kwam de blockbuster "Jurassic Park" voorbij, wat het team op het idee bracht om uitgestorven moleculen te bestuderen. "Waarom zouden we moleculen uit het verleden niet terugbrengen?", zei hij.

Om voorheen onbekende peptiden te vinden, trainde het team een ​​AI-algoritme om gefragmenteerde plekken in menselijke eiwitten te herkennen die mogelijk antibacteriële activiteit hebben. De wetenschappers pasten dit algoritme vervolgens toe op openbaar beschikbare eiwitsequenties van Homo sapiens, Neanderthalers en Denisovans, een andere archaïsche mensensoort die nauw verwant is aan Neanderthalers.

Vervolgens gebruikte het team de eigenschappen van eerder ontwikkelde antibacteriële peptiden om te voorspellen welke oude peptiden het meest effectief waren in het doden van bacteriën.

Vervolgens synthetiseerde en testte het team de 69 meest veelbelovende peptiden om te zien of ze bacteriën konden doden. Het team selecteerde de zes krachtigste, waaronder vier van moderne mensen, één van Neanderthalers en één van Denisova-mensen.

Het team stelde ze bloot aan muizen die besmet waren met de bacterie Acinetobacter baumannii, een veelvoorkomende oorzaak van ziekenhuisinfecties bij mensen. (Een ziekenhuisinfectie is een infectie die een patiënt oploopt tijdens zijn of haar opname en die hij of zij nog niet had.)

Van de zes peptiden die door het algoritme werden geselecteerd, bleek er één afkomstig van een Neanderthaler het meest effectief in de strijd tegen ziekteverwekkers bij muizen die met bacteriën waren geïnfecteerd, zegt biotechnologiepionier César de la Fuente van de Universiteit van Pennsylvania. (Foto: Universiteit van Pennsylvania)

"Ik denk dat een van de meest opwindende momenten was toen we moleculen chemisch reconstrueerden in het lab en ze vervolgens voor het eerst weer tot leven brachten. Het was wetenschappelijk gezien verbazingwekkend om dat te zien", aldus De la Fuente.

Bij muizen met huidabcessen doodden de peptiden actief de bacteriën. Bij muizen met dijbeeninfecties waren de peptiden minder effectief, maar ze voorkwamen nog steeds de groei van bacteriën.

"Het beste peptide was wat we Neanderthaler 1 noemen, afkomstig van Neanderthalers, en dat was het peptide dat het beste werkte bij muizen", aldus De la Fuente.

Er is meer onderzoek nodig

De heer De la Fuente benadrukte echter dat geen van de peptiden "klaar was om als antibioticum te worden gebruikt" en dat er nog veel aan gesleuteld moest worden. In een onderzoek dat volgend jaar gepubliceerd zal worden, ontwikkelden hij en zijn collega's een nieuw deep learning-model om de eiwitsequenties te onderzoeken van 208 uitgestorven organismen waarvoor gedetailleerde genetische informatie beschikbaar was.

Het team ontdekte meer dan 11.000 tot nu toe onontdekte potentiële antimicrobiële peptiden die alleen voorkomen bij uitgestorven dieren. De meest veelbelovende peptiden werden gesynthetiseerd door de Siberische wolharige mammoet, de Stellerzeekoe (een zeezoogdier dat in de 18e eeuw uitstierf door de jacht in het Noordpoolgebied), de reuzenluiaard en de Ierse reuzeneland (Megaloceros giganteus). Hij zei dat de nieuw ontdekte peptiden een "uitstekende anti-infectieuze werking" hadden bij muizen.

Dr. Dmitry Ghilarov, groepsleider bij het John Innes Centre in het Verenigd Koninkrijk, zei dat het knelpunt bij het vinden van nieuwe antibiotica is dat ze instabiel en moeilijk te synthetiseren kunnen zijn. "Er zijn veel van deze peptide-antibiotica die niet door de industrie worden ontwikkeld en nagestreefd vanwege problemen zoals toxiciteit", aldus Ghilarov.

Van de 10.000 veelbelovende stoffen die onderzoekers hebben geïdentificeerd, hebben slechts één of twee antibiotica goedkeuring gekregen van de Amerikaanse Food and Drug Administration, zo blijkt uit een artikel dat in mei 2021 is gepubliceerd.

Dr. Monique van Hoek, hoogleraar en adjunct-onderzoeksdirecteur aan de School of Systems Biology van de George Mason University (VS), zei dat het zeer zeldzaam is dat een peptide die in de natuur voorkomt, direct een nieuw medicijn of ander nieuw antibioticum oplevert.

Volgens Van Hoek vormt de ontdekking van een nieuw peptide de basis voor onderzoekers om met behulp van computertechnieken het potentieel van het peptide als nieuw antibioticum te onderzoeken en optimaliseren.

Van Hoek richt haar onderzoek momenteel op een synthetisch peptide, afgeleid van een natuurlijk peptide dat voorkomt in Amerikaanse alligators. Het peptide ondergaat momenteel preklinische tests.

Hoewel het misschien vreemd lijkt om nieuwe antibiotica te verkrijgen van uitgestorven krokodillen of mensen, maakt de ernst van antibioticaresistente bacteriën dergelijk onderzoek de moeite waard, aldus mevrouw Van Hoek.

Hoai Phuong (volgens CNN)

Bron: https://www.congluan.vn/chong-khang-khang-sinh-y-tuong-tu-ai-va-nguoi-neanderthal-da-tuyet-chung-post276832.html