Använda AI för att återuppliva "neandertalarantibiotika"

Hotet från antibiotikaresistenta bakterier

Enligt WHO är behovet av att hitta potentiella läkemedel för att bekämpa denna situation extremt brådskande, med tanke på att världen står inför nästan 5 miljoner dödsfall årligen relaterade till antibiotikaresistenta bakterier.

Nyligen har ett forskarteam lett av bioteknikpionjären César de la Fuente använt beräkningsmetoder baserade på artificiell intelligens (AI) för att utnyttja genetiska egenskaper från utdöda mänskliga släktingar som neandertalare, i syfte att återuppliva deras antibiotiska egenskaper från 40 000 år sedan.

Modell av den utdöda neandertalmänniskorarten. Foto: Getty

Genom sin forskning har forskare upptäckt vissa små protein- eller peptidmolekyler som har förmågan att bekämpa bakterier, vilket skulle kunna bana väg för nya läkemedel för att bekämpa mänskliga infektioner.

Antibiotika (som penicillin) produceras naturligt (genom att en mikroorganism bekämpar en annan), medan icke-antibiotiska antimikrobiella medel (som sulfonamider och antiseptiska medel) är helt syntetiska.

Båda typerna har dock det gemensamma målet att döda eller hämma tillväxten av mikroorganismer, och båda faller under kategorin antimikrobiell kemoterapi. Antimikrobiella medel inkluderar antiseptika, antimikrobiella tvålar och kemiska rengöringsmedel; medan antibiotika är en mer specialiserad typ av antimikrobiellt medel som används inom medicin och ibland i djurfoder.

Antibiotika är ineffektiva mot virus som orsakar sjukdomar som förkylning eller influensa; 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 funnits i levande organismer, vilket öppnar upp bredare möjligheter för att tänka kring molekylär mångfald”, säger Dr. Cesar de la Fuente från University of Pennsylvania (USA), som ledde forskargruppen. ”Nuvarande bakterier har aldrig exponerats för dessa nya molekyler, så detta kan vara ett bra tillfälle att bekämpa dagens svårbehandlade patogener.”

Experter anser att nya rön om antibiotikaresistenta bakterier är ytterst nödvändiga. ”Världen står inför en antibiotikaresistenskris… Om vi ​​behöver gå tillbaka till det förflutna för att hitta potentiella lösningar för framtiden, då stöder jag det helt”, säger Michael Mahan, professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi vid University of California (USA).

Idéer från "Jurassic Park"

De flesta antibiotika härrör från mikroorganismer och svampar, upptäckta genom att undersöka mikroorganismer som lever i jorden. Men under de senaste decennierna har överanvändningen av antibiotika lett till att patogener har utvecklat resistens mot dem.

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

För att upptäcka tidigare okända peptider tränade forskargruppen en AI-algoritm som kan identifiera fragmenterade platser i mänskliga proteiner som kan ha antimikrobiell aktivitet. Forskarna tillämpade sedan detta på allmänt tillgängliga proteinsekvenser från moderna människor (Homo sapiens), neandertalare (Homo neanderthalensis) och denisovaner – en annan forntida mänsklig art som är nära besläktad med neandertalare.

Forskargruppen använde sedan egenskaperna hos tidigare studerade antimikrobiella peptider för att förutsäga vilken forntida peptid som mest sannolikt dödade bakterier.

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

Teamet exponerade dem för möss infekterade med Acinetobacter baumannii, en vanlig orsak till sjukhusinfektioner hos människor. (En sjukhusinfektion är en infektion som en person utvecklar under sjukhusvistelsen, men som de inte hade vid inläggningen.)

Bioteknikpionjären César de la Fuente vid University of Pennsylvania sa att av de sex peptider som valts ut av algoritmen var en peptid från neandertalare den mest effektiva i kampen mot patogener hos möss infekterade med bakterier. (Bild: University of Pennsylvania)

”Jag tror att ett av de mest spännande ögonblicken var när vi kemiskt återvann molekyler i labbet och sedan, för första gången, väckte dem till liv igen. Det var fantastiskt ur ett vetenskapligt perspektiv att bevittna det ögonblicket”, delade De la Fuente.

Experimentella resultat visade att peptiderna aktivt dödade bakterierna hos infekterade möss som utvecklade hudabscesser; hos möss med lårinfektioner var peptiderna mindre effektiva men förhindrade ändå bakterietillväxt.

"Den bästa peptiden är den vi kallar Neanderthalien 1, från neandertalare, och det är den mest effektiva när den testas på möss", sa De la Fuente.

Mer forskning behövs.

De la Fuente betonade dock att ingen av peptiderna kvalificerar som "färdiga att användas som antibiotika" och att de istället skulle kräva betydande justeringar. I forskning som förväntas publiceras nästa år har han och kollegor utvecklat en ny djupinlärningsmodell för att utforska proteinsekvenserna hos 208 utdöda organismer med detaljerad genetisk information.

Forskargruppen hittade mer än 11 ​​000 potentiella antimikrobiella peptider som aldrig tidigare upptäckts, som endast hittats i utdöda organismer, och syntetiserade de mest lovande peptiderna från den ullhåriga mammuten i Sibirien, Stellers sjökon (ett marint däggdjur som dog ut på 1700-talet på grund av jakt i Arktis), den jättelika sengångaren och den jättelika irländska älgen (Megaloceros giganteus). Han sa att de nyupptäckta peptiderna har "utmärkt antiinfektiv aktivitet" hos möss.

Dr. Dmitry Ghilarov, huvudforskare 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.

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

Dr. Monique van Hoek, professor och biträdande forskningschef vid George Mason University School of Systems Biology (USA), sa att det är mycket sällsynt att en naturligt förekommande peptid direkt leder till skapandet av ett nytt läkemedel eller antibiotikum.

Enligt Van Hoek kommer upptäckten av en ny peptid att ge forskare en grund att använda beräkningstekniker för att utforska och optimera dess potential som ett nytt antibiotikum.

För närvarande fokuserar Dr. Van Hoek sin forskning på en syntetisk peptid som härrör från en naturligt förekommande peptid i amerikanska alligatorer. Peptiden genomgår för närvarande preklinisk testning.

Fru Van Hoek sa att även om det kan verka konstigt att söka nya antibiotikakällor från utdöda krokodiler eller människor, gör svårighetsgraden av antibiotikaresistenta bakterier dessa studier värdefulla.

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