Використання штучного інтелекту для повернення «неандертальських антибіотиків»

Загроза стійкості бактерій до антибіотиків

За даними ВООЗ, оскільки щороку у світі помирає майже 5 мільйонів людей від бактерій, стійких до антибіотиків, потреба в пошуку потенційних ліків для боротьби з цією ситуацією є надзвичайно нагальною.

Тепер команда під керівництвом піонера біотехнології Сезара де ла Фуенте використовує обчислювальні методи на основі штучного інтелекту (ШІ) для видобутку генетичних ознак у вимерлих родичів людини, таких як неандертальці, щоб повернути їхні антибіотики на 40 000 років назад.

Стійкість до антибіотиків виникла у ВООЗ, і неандертальці вимерли (фото 1) — Модель вимерлого виду неандертальців. Фото: Getty

Завдяки дослідженням вчені виявили низку невеликих білкових або пептидних молекул, які мають здатність боротися з бактеріями, що може прокласти шлях для нових ліків для боротьби з інфекціями у людей.

Антибіотики (такі як пеніцилін) – це ті, що виробляються природним шляхом (іншим антимікробним мікроорганізмом), тоді як неантибіотичні антибактеріальні засоби (такі як сульфаніламіди та антисептики) – це повністю синтетичні засоби.
Однак, обидва методи мають однакову мету – знищення або запобігання росту мікроорганізмів, і обидва підпадають під категорію антимікробної хіміотерапії. До антибактеріальних засобів належать антисептики, антибактеріальне мило, хімічні мийні засоби; тоді як антибіотики – це більш спеціалізований тип антибактеріальних засобів, що використовуються в медицині, а іноді й у кормах для тварин.
Антибіотики не діють проти вірусів, що викликають такі захворювання, як застуда чи грип, тому препарати, що пригнічують віруси, називаються противірусними або противірусними препаратами, а не антибіотиками.

«Це дозволяє нам відкривати нові послідовності, нові типи молекул, які ніколи раніше не спостерігалися в живих організмах, що відкриває нам шлях до ширшого мислення про молекулярне різноманіття», — сказав доктор Сезар де ла Фуенте з Університету Пенсільванії (США), який очолював дослідницьку групу. «Сучасні бактерії ніколи не стикалися з цими новими молекулами, тому це може бути гарною можливістю боротися з сучасними важковиліковними патогенами».

Експерти кажуть, що терміново потрібні нові відкриття щодо бактерій, стійких до антибіотиків. «Світ стикається з кризою стійкості до антибіотиків… Якщо нам потрібно повернутися в минуле, щоб знайти потенційні рішення для майбутнього, я повністю за це», – сказав Майкл Махан, професор молекулярної, клітинної та розвитку біології Каліфорнійського університету в Берклі.

Пропозиції з «Парку Юрського періоду»

Більшість антибіотиків походять від бактерій та грибів, виявлених шляхом скринінгу ґрунтових мікробів. Але в останні десятиліття надмірне використання антибіотиків призвело до розвитку стійкості патогенів.

Протягом останнього десятиліття Де ла Фуенте використовував обчислювальні методи для оцінки потенціалу різних пептидів як альтернатив антибіотикам. Одного разу в лабораторії з'явився блокбастер «Парк Юрського періоду», що дало команді ідею вивчати вимерлі молекули. «Чому б не повернути молекули з минулого?» — сказав він.

Щоб знайти раніше невідомі пептиди, команда навчила алгоритм штучного інтелекту розпізнавати фрагментовані ділянки в людських білках, які можуть мати антибактеріальну активність. Потім вчені застосували його до загальнодоступних послідовностей білків Homo sapiens, неандертальців та денисівців, ще одного архаїчного виду людини, тісно пов'язаного з неандертальцями.

Потім команда використала властивості попередніх антибактеріальних пептидів, щоб передбачити, які стародавні пептиди найімовірніше знищуватимуть бактерії.

Далі команда синтезувала та протестувала 69 найперспективніших пептидів, щоб побачити, чи можуть вони знищувати бактерії. Команда відібрала шість найпотужніших, включаючи чотири від сучасних людей, один від неандертальців та один від денисівських людей.

Команда дослідників піддала їх мишам, інфікованим бактерією Acinetobacter baumannii, поширеною причиною внутрішньолікарняних інфекцій у людей. (Внутрішньолікарняна інфекція – це інфекція, яку пацієнт отримує під час перебування в лікарні та якої не мав на момент госпіталізації.)

Стійкість до антибіотиків виникла у ВООЗ, і неандертальці вимерли (фото 2) — З шести пептидів, відібраних алгоритмом, один від неандертальця виявився найефективнішим у боротьбі з патогенами у мишей, заражених бактеріями, каже піонер біотехнології Сезар де ла Фуенте з Пенсильванського університету. (Фото: Пенсильванський університет)

«Я думаю, що одним із найцікавіших моментів був той, коли ми хімічно відновили молекули в лабораторії, а потім вперше повернули їх до життя. З наукової точки зору це було дивовижно бачити», – сказав Де ла Фуенте.

У мишей, інфікованих абсцесами шкіри, пептиди активно знищували бактерії; у мишей з інфекціями стегна пептиди були менш ефективними, але все ще запобігали росту бактерій.

«Найкращим пептидом був той, який ми називаємо Neanderthal 1, від неандертальців, і саме він найкраще працював на мишах», — сказав Де ла Фуенте.

Потрібні додаткові дослідження

Однак пан Де ла Фуенте наголосив, що жоден із пептидів «не готовий до використання як антибіотик», а натомість потребуватиме значного налаштування. У дослідженні, яке має бути опубліковано наступного року, він та його колеги розробили нову модель глибокого навчання для дослідження білкових послідовностей 208 вимерлих організмів, для яких доступна детальна генетична інформація.

Команда дослідників виявила понад 11 000 раніше невідомих потенційних антимікробних пептидів, знайдених лише у вимерлих істот, синтезуючи найперспективніші пептиди з сибірського шерстистого мамонта, морської корови Стеллера (морського ссавця, який вимер у 18 столітті через полювання в Арктиці), гігантського лінивця та ірландського гігантського лося (Megaloceros giganteus). Він сказав, що нещодавно виявлені пептиди мають «чудову протиінфекційну активність» у мишей.

Доктор Дмитро Гіларов, керівник групи в Центрі Джона Іннеса у Великій Британії, сказав, що вузьким місцем у пошуку нових антибіотиків є їхня нестабільність і складність синтезу. «Є багато таких пептидних антибіотиків, які не розробляються та не використовуються промисловістю через такі труднощі, як токсичність», – сказав Гіларов.

Згідно зі статтею, опублікованою в травні 2021 року, з 10 000 перспективних сполук, виявлених дослідниками, лише один або два антибіотики отримали схвалення від Управління з контролю за продуктами харчування та лікарськими засобами США.

Доктор Монік ван Хук, професорка та заступниця директора з досліджень Школи системної біології Університету Джорджа Мейсона (США), сказала, що дуже рідко пептид, що зустрічається в природі, безпосередньо створює новий препарат чи інший новий антибіотик.

За словами Ван Хука, відкриття нового пептиду дасть дослідникам можливість використовувати обчислювальні методи для дослідження та оптимізації потенціалу пептиду як нового антибіотика.

Ван Хук зараз зосереджує свої дослідження на синтетичному пептиді, отриманому з природного пептиду, що міститься в американських алігаторах. Пептид наразі проходить доклінічні випробування.

Хоча може здатися дивним отримувати нові антибіотики з вимерлих крокодилів чи людей, серйозність антибіотикорезистентних бактерій робить такі дослідження вартими уваги, каже пані Ван Хук.

Хоай Фуонг (за матеріалами CNN)

Джерело