Använda AI för att återuppliva "neandertalarantibiotika"

Hotet från antibiotikaresistenta bakterier

Enligt WHO är behovet av att hitta potentiella läkemedel för att hantera denna situation extremt brådskande, eftersom världen står inför nästan 5 miljoner dödsfall varje år relaterade till antibiotikaresistenta bakterier.

Nu använder ett team lett av bioteknikpionjären César de la Fuente beräkningsmetoder baserade på artificiell intelligens (AI) för att utvinna genetiska egenskaper från utdöda mänskliga släktingar som neandertalare, för att få deras antibiotika att återhämta sig 40 000 år tidigare.

Modell av den utdöda neandertalarten. Foto: Getty

Genom forskning upptäckte forskare ett antal små protein- eller peptidmolekyler som har förmågan att bekämpa bakterier, vilket skulle kunna bana väg för nya läkemedel för att bekämpa infektioner hos människor.

Antibiotika (som penicillin) är de som produceras naturligt (av en annan antimikrobiell mikroorganism), medan icke-antibiotiska antibakteriella medel (som sulfonamider och antiseptiska medel) är de som är helt syntetiska.

Båda har dock samma mål att döda eller förhindra tillväxten av mikroorganismer och båda faller under paraplyet antimikrobiell kemoterapi. Antibakteriella medel inkluderar antiseptiska medel, antibakteriella tvålar och kemiska rengöringsmedel; medan antibiotika är den mer specialiserade typen av antibakteriella medel som används inom medicin och ibland i djurfoder.

Antibiotika fungerar inte mot virus som orsakar sjukdomar som förkylningar eller influensa, så läkemedel som hämmar virus kallas antivirala medel eller antivirala läkemedel, inte antibiotika.

”Det låter oss upptäcka nya sekvenser, nya typer av molekyler som aldrig tidigare setts i levande organismer, vilket öppnar upp för att tänka bredare om molekylär mångfald”, säger Dr. Cesar de la Fuente från University of Pennsylvania (USA), som ledde forskargruppen. ”Dagens bakterier har aldrig exponerats för dessa nya molekyler, så detta kan vara ett bra tillfälle att hantera dagens svårbehandlade patogener.”

Experter säger att det finns ett akut behov av nya upptäckter om antibiotikaresistenta bakterier. ”Världen står inför en antibiotikaresistenskris… Om vi ​​behöver gå tillbaka i tiden för att komma fram till potentiella lösningar för framtiden, så är jag helt för det”, säger Michael Mahan, professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi vid University of California, Berkeley.

Förslag från “Jurassic Park”

De flesta antibiotika härstammar från bakterier och svampar, som upptäckts genom att undersöka jordlevande mikrober. Men under de senaste decennierna har överanvändning av antibiotika lett till att patogener utvecklat resistens.

Under det senaste decenniet har De la Fuente använt beräkningsmetoder för att utvärdera potentialen hos olika peptider som antibiotikaalternativ. En dag i labbet dök succéfilmen "Jurassic Park" upp, vilket gav teamet idén att studera utdöda molekyler. "Varför inte återuppliva molekyler från det förflutna?" sa han.

För att hitta tidigare okända peptider tränade teamet en AI-algoritm för att känna igen fragmenterade platser i mänskliga proteiner som kan ha antibakteriell aktivitet. Forskarna tillämpade den sedan på allmänt tillgängliga proteinsekvenser från Homo sapiens, neandertalare och denisovaner, en annan arkaisk människokarte nära besläktad med neandertalare.

Teamet använde sedan egenskaperna hos tidigare antibakteriella peptider för att förutsäga vilka forntida peptider som mest sannolikt dödade bakterier.

Därefter syntetiserade och testade teamet de 69 mest lovande peptiderna för att se om de kunde döda bakterier. Teamet valde ut de sex mest potenta, inklusive fyra från moderna människor, en från neandertalare och en från denisovaner.

Teamet exponerade dem för möss infekterade med bakterien Acinetobacter baumannii, en vanlig orsak till sjukhusinfektioner hos människor. (En sjukhusinfektion är en infektion som en patient får under sin tid på sjukhuset och inte hade när de lades in.)

Av de sex peptider som valdes ut av algoritmen var en från en neandertalare den mest effektiva på att bekämpa patogener hos möss infekterade med bakterier, säger bioteknikpionjären César de la Fuente vid University of Pennsylvania. (Foto: University of Pennsylvania)

”Jag tror att ett av de mest spännande ögonblicken var när vi kemiskt rekonstituerade molekyler i labbet och sedan återupplivade dem för första gången. Det var fantastiskt ur ett vetenskapligt perspektiv att se det”, sa De la Fuente.

Hos möss infekterade med hudbölder dödade peptiderna aktivt bakterier; hos möss med lårinfektioner var peptiderna mindre effektiva men förhindrade fortfarande bakterietillväxt.

"Den bästa peptiden var det vi kallar Neanderthal 1, från neandertalare, och det var den som fungerade bäst på möss", sa De la Fuente.

Mer forskning behövs

De la Fuente betonade dock att ingen av peptiderna var "mogna att användas som antibiotika" och istället skulle kräva en hel del justeringar. I forskning som ska publiceras nästa år utvecklade han och hans kollegor en ny djupinlärningsmodell för att utforska proteinsekvenserna hos 208 utdöda organismer för vilka detaljerad genetisk information fanns tillgänglig.

Teamet hittade mer än 11 ​​000 tidigare oupptäckta potentiella antimikrobiella peptider som endast finns i utdöda varelser, och syntetiserar de mest lovande peptiderna från den sibiriska ullhåriga mammuten, Stellers sjökon (ett marint däggdjur som dog ut på 1700-talet på grund av jakt i Arktis), den jättelika sengångaren och den irländska jätteälgen (Megaloceros giganteus). Han sa att de nyupptäckta peptiderna hade "utmärkt antiinfektiv aktivitet" hos möss.

Dr. Dmitry Ghilarov, gruppledare vid John Innes Centre i Storbritannien, sa att flaskhalsen i att hitta nya antibiotika är att de kan vara instabila och svåra att syntetisera. ”Det finns många av dessa peptidantibiotika som inte utvecklas och eftersträvas av industrin på grund av svårigheter som toxicitet”, sa Ghilarov.

Av de 10 000 lovande föreningar som identifierats av forskare har endast en eller två antibiotika fått godkännande från den amerikanska läkemedelsmyndigheten Food and Drug Administration, enligt en artikel som publicerades i maj 2021.

Dr. Monique van Hoek, professor och biträdande forskningschef vid School of Systems Biology vid George Mason University (USA), sa att det är mycket sällsynt att en peptid som finns i naturen direkt skapar ett nytt läkemedel eller annat nytt antibiotikum.

Upptäckten av en ny peptid kommer att bana väg för forskare att använda beräkningstekniker för att utforska och optimera peptidens potential som ett nytt antibiotikum, enligt Van Hoek.

Van Hoek fokuserar för närvarande sin forskning på en syntetisk peptid som härrör från en naturlig peptid som finns i amerikanska alligatorer. Peptiden genomgår för närvarande preklinisk testning.

Även om det kan verka konstigt att hitta nya antibiotika från utdöda krokodiler eller människor, gör svårighetsgraden av antibiotikaresistenta bakterier sådan forskning värdefull, säger Ms. Van Hoek.

Hoai Phuong (enligt CNN)

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