Искусственный интеллект обнаружил в древних микроорганизмах ключ к новым антибиотикам
Учёные используют искусственный интеллект для поиска новых антибиотиков в археях — древних одноклеточных микроорганизмах, известных своей способностью выживать в экстремальных условиях. Поскольку устойчивость к антибиотикам продолжает расти, делая лечение инфекций всё более сложным, исследователи изучают, могут ли эти живучие микроорганизмы предложить новые соединения для решения этой проблемы.
Команда учёных из Пенсильванского университета недавно сообщила в журнале Nature Microbiology об использовании искусственного интеллекта для идентификации антибактериальных соединений в белках архей. До этого исследования потенциал этих микробов для создания новых медицинских препаратов не изучался.
Хотя археи и бактерии имеют некоторые общие черты, они различаются по генетическому составу, клеточной структуре и химическим процессам. Эти различия позволяют археям существовать в таких условиях, как гидротермальные источники, кислотные гейзеры и солёные равнины, где большинство других организмов выжить не способны.
Эволюция архей была необычайно разнообразной благодаря их способности процветать в экстремальных местообитаниях. «Нас привлекли археи, потому что им пришлось развивать биохимическую защиту в необычных условиях», — пояснил Марсело Торрес, соавтор исследования. «Если они выживали в этих условиях миллиарды лет, возможно, они разработали уникальные способы борьбы с микробными конкурентами».
Несмотря на уникальные адаптации, археи ранее почти не привлекали внимания в поисках новых антибиотиков, которые традиционно были сосредоточены на грибах, бактериях и животных.
Чтобы оценить потенциал архей, исследователи из лаборатории Сезара де ла Фуэнте в Пенсильванском университете использовали обновлённую версию искусственного интеллекта APEX, первоначально разработанного для выявления антимикробных пептидов в древней ДНК и животных ядах.
Обновлённая система APEX 1.1 была обучена на тысячах пептидов с известной антибактериальной активностью, а также на данных о том, как различные патогены реагируют на эти молекулы. Затем искусственный интеллект проанализировал белковые последовательности 233 видов архей, чтобы идентифицировать пептидные молекулы с потенциальными антибиотическими свойствами.
Этот анализ выявил более 12 000 потенциальных кандидатов в антибиотики, названных археоцинами. Эти пептиды отличаются по электрическому заряду от многих известных антимикробных пептидов, что указывает на потенциально иной биологический механизм действия.
«Пытаться найти новые антибиотики по одной молекуле — всё равно что искать иголку в стоге сена», — сказал соавтор работы Фанпин Ван. «Искусственный интеллект ускоряет процесс, показывая нам, где, скорее всего, находятся иголки».
Из всего пула предсказанных кандидатов команда синтезировала и проверила 80 археоцинов на устойчивых к лекарствам бактериях. Лабораторные результаты показали, что 93 процента этих пептидов были активны в отношении по крайней мере одного штамма бактерий.
Эти археоцины, по-видимому, действовали на бактерии нетрадиционным способом. Вместо того чтобы прокалывать мембраны, блокировать производство белков или использовать традиционные методы, применяемые во многих современных антибиотиках, пептиды нарушали электрические сигналы, необходимые бактериям для выживания.
Исследователи отобрали три наиболее перспективных археоцина для испытаний на животных моделях. При заражении опасной внутрибольничной бактерией однократная доза остановила распространение инфекции в течение четырёх дней. Эффективность одного из археоцинов соответствовала полимиксину В — антибиотику последнего резерва, часто используемому против устойчивых инфекций.
«Это исследование показывает, что в археях потенциально можно обнаружить множество антибиотиков», — заявил де ла Фуэнте. «Поскольку бактерии развивают устойчивость быстрее, чем мы создаём новые антибиотики, крайне важно искать в нетрадиционных местах».
Открытие этих археоцинов является наглядным примером того, как искусственный интеллект может ускорить поиск новых антибиотиков, сочетая компьютерный анализ с уникальной биологией древних микроорганизмов.
«Это только начало», — подчеркнул де ла Фуэнте. «Археи — одна из древнейших форм жизни, и очевидно, что им есть чему нас научить в том, как перехитрить патогены, с которыми мы сталкиваемся сегодня».
Теперь команда планирует усовершенствовать APEX, чтобы предсказывать антибиотическую активность не только на основе аминокислотных последовательностей, но и с учётом трёхмерных структур, что потенциально повысит точность. Прежде чем можно будет начать клинические испытания на людях, необходимы долгосрочные исследования для оценки безопасности и эффективности археоцинов.
Потребность в новых антибиотиках обостряется, поскольку устойчивые к лекарствам бактерии эволюционируют с беспрецедентной скоростью. Всемирная организация здравоохранения предупредила, что если в ближайшее время не будут найдены более эффективные методы лечения, даже простые инфекции и обычные хирургические операции могут стать опасными.
Используя мощь искусственного интеллекта для изучения архей, исследователи из Пенсильванского университета открыли инновационный подход к борьбе с устойчивостью к антибиотикам. Если археоцины окажутся безопасными и эффективными антибиотиками, это может стать прорывом в борьбе с эволюционирующими бактериями.
Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/iskusstvennyj-intellekt-obnaruzhil-v-drevnih-mikroorganizmah-kljuch-k-novym-antibiotikam/