Использование ИИ для возрождения «неандертальских антибиотиков»

Угроза появления бактерий, устойчивых к антибиотикам

По данным ВОЗ, поскольку ежегодно в мире умирает около 5 миллионов человек из-за бактерий, устойчивых к антибиотикам, необходимость поиска потенциальных лекарств для решения этой проблемы становится крайне острой.

Теперь группа под руководством пионера биотехнологий Сесара де ла Фуэнте использует вычислительные методы на основе искусственного интеллекта (ИИ) для извлечения генетических признаков у вымерших родственников человека, таких как неандертальцы, чтобы вернуть их антибиотики на 40 000 лет назад.

Кто придумал идею устойчивости к антибиотикам и вымерли ли неандертальцы, фотография 1 — Модель вымершего вида человека Неандерталец. Фото: Getty

В ходе исследований ученые обнаружили ряд небольших белковых или пептидных молекул, обладающих способностью бороться с бактериями, что может открыть путь к созданию новых препаратов для борьбы с инфекциями у людей.

Антибиотики (например, пенициллин) — это те, которые вырабатываются естественным путем (другим антимикробным микроорганизмом), тогда как неантибиотические противомикробные препараты (например, сульфаниламиды и антисептики) — это те, которые являются полностью синтетическими.
Однако оба типа имеют одну и ту же цель — уничтожение или предотвращение роста микроорганизмов, и оба попадают в категорию антимикробной химиотерапии. Антибактериальные препараты включают антисептики, антибактериальные мыла, химические моющие средства; тогда как антибиотики — это более специализированный тип антибактериальных препаратов, используемых в медицине и иногда в кормах для животных.
Антибиотики не действуют на вирусы, вызывающие такие заболевания, как простуда или грипп, поэтому препараты, подавляющие вирусы, называются противовирусными или антиретровирусными препаратами, а не антибиотиками.

«Это позволяет нам открывать новые последовательности, новые типы молекул, которые никогда не встречались в живых организмах, что открывает нам возможность более широко мыслить о молекулярном разнообразии», — сказал доктор Сезар де ла Фуэнте из Пенсильванского университета (США), возглавлявший исследовательскую группу. «Сегодняшние бактерии никогда не сталкивались с этими новыми молекулами, поэтому это может быть хорошей возможностью для борьбы с сегодняшними трудно поддающимися лечению патогенами».

Эксперты говорят, что срочно необходимы новые данные об антибиотикорезистентных бактериях. «Мир сталкивается с кризисом антибиотикорезистентности... Если нам нужно вернуться назад во времени, чтобы найти потенциальные решения для будущего, я полностью за», — сказал Майкл Махан, профессор молекулярной, клеточной и онтогенетической биологии Калифорнийского университета в Беркли.

Предложения из «Парка Юрского периода»

Большинство антибиотиков происходят из бактерий и грибков, обнаруженных путем скрининга микроорганизмов, живущих в почве. Но в последние десятилетия чрезмерное использование антибиотиков привело к тому, что патогены выработали к ним устойчивость.

За последнее десятилетие Де ла Фуэнте использовал вычислительные методы для оценки потенциала различных пептидов в качестве замены антибиотикам. Однажды в лаборатории всплыл блокбастер «Парк Юрского периода», что дало команде идею изучить вымершие молекулы. «Почему бы не вернуть молекулы из прошлого?» — сказал он.

Чтобы найти ранее неизвестные пептиды, команда обучила алгоритм ИИ распознавать фрагментированные участки в человеческих белках, которые могут обладать антибактериальной активностью. Затем ученые применили его к общедоступным последовательностям белков Homo sapiens, Homo neanderthalensis и Denisovans — еще одного архаичного вида человека, тесно связанного с неандертальцами.

Затем группа использовала свойства предыдущих антибактериальных пептидов, чтобы предсказать, какие древние пептиды с наибольшей вероятностью убивают бактерии.

Затем команда синтезировала и протестировала 69 самых мощных пептидов, чтобы увидеть, могут ли они убить бактерии. Команда выбрала шесть самых мощных, включая четыре от современных людей, один от неандертальцев и один от денисовцев.

Команда подвергла их воздействию мышей, инфицированных бактерией Acinetobacter baumannii, распространенной причиной внутрибольничных инфекций у людей. (Внутрибольничная инфекция — это инфекция, которую пациент приобретает во время пребывания в больнице, но которой не было на момент поступления.)

Кто придумал идею устойчивости к антибиотикам и вымерли ли неандертальцы, фотография 2 — По словам пионера биотехнологии Сезара де ла Фуэнте из Пенсильванского университета, из шести пептидов, выбранных алгоритмом, один из неандертальцев оказался наиболее эффективным в борьбе с патогенами у мышей, инфицированных бактериями. (Фото: Пенсильванский университет)

«Я думаю, что одним из самых захватывающих моментов был момент, когда мы химически восстановили молекулы в лаборатории, а затем впервые вернули их к жизни. С научной точки зрения было удивительно увидеть этот момент», — сказал Де ла Фуэнте.

У мышей, инфицированных кожными абсцессами, пептиды активно убивали бактерии; у мышей с инфекциями бедра пептиды были менее эффективны, но все же предотвращали рост бактерий.

«Лучшим пептидом оказался тот, который мы называем Neanderthal 1, полученный от неандертальцев, и именно он лучше всего показал себя на мышах», — сказал Де ла Фуэнте.

Необходимы дополнительные исследования

Однако Де ла Фуэнте подчеркнул, что ни один из пептидов не «готов к использованию в качестве антибиотиков» и вместо этого потребует значительной доработки. В исследовании, которое должно быть опубликовано в следующем году, он и его коллеги разработали новую модель глубокого обучения для изучения белковых последовательностей 208 вымерших организмов, для которых была доступна подробная генетическая информация.

Команда обнаружила более 11 000 ранее неизвестных потенциальных антимикробных пептидов, которые были обнаружены только у вымерших существ, и синтезировала наиболее перспективные пептиды из сибирского шерстистого мамонта, морской коровы Стеллера (морского млекопитающего, вымершего в XVIII веке из-за охоты в Арктике), гигантского ленивца и ирландского гигантского лося (Megaloceros giganteus). Он сказал, что недавно обнаруженные пептиды обладают «превосходной противоинфекционной активностью» у мышей.

Доктор Дмитрий Гиляров, руководитель группы в Центре Джона Иннеса в Великобритании, сказал, что узким местом в поиске новых антибиотиков является то, что они могут быть нестабильными и сложными в синтезе. «Многие из этих пептидных антибиотиков не разрабатываются и не используются промышленностью из-за таких трудностей, как токсичность», — сказал Гиляров.

Согласно статье, опубликованной в мае 2021 года, из 10 000 перспективных соединений, выявленных исследователями, только один или два антибиотика получили одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США.

Доктор Моник ван Хук, профессор и заместитель директора по исследованиям Школы системной биологии Университета Джорджа Мейсона (США), отметила, что случаи, когда пептид, встречающийся в природе, напрямую создает новое лекарство или другой тип антибиотика, случаются крайне редко.

По словам Ван Хука, открытие нового пептида подготовит почву для исследователей к использованию вычислительных методов для изучения и оптимизации потенциала пептида как нового антибиотика.

В настоящее время Ван Хук сосредоточивает свои исследования на синтетическом пептиде, полученном из природного пептида, обнаруженного у американских аллигаторов. В настоящее время пептид проходит доклинические испытания.

По словам Ван Хука, хотя получение новых антибиотиков от вымерших крокодилов или людей может показаться странным, серьезность проблемы устойчивости бактерий к антибиотикам делает такие исследования оправданными.

Хоай Фуонг (по данным CNN)

Источник