Sztuczna inteligencja identyfikuje „złotą kopalnię” potencjalnych antybiotyków w archeonach

Artykuł redakcyjny w czasopiśmie „Science”, 12 sierpnia (EFE) – Sztuczna inteligencja (AI) odkryła „nową kopalnię złota” w postaci potencjalnych antybiotyków w archeonach, jednokomórkowych organizmach, które rozwijają się w najbardziej ekstremalnych środowiskach na Ziemi.

Za tymi badaniami stoi zespół Césara de la Fuente z Uniwersytetu Pensylwanii w Stanach Zjednoczonych, który wykorzystał techniki głębokiego uczenia do zidentyfikowania tego, co nazywają potencjalnymi „archeainami”. Szczegóły badań opublikowano w czasopiśmie Nature Microbiology.

Hiszpan De la Fuente od prawie dekady stosuje narzędzia sztucznej inteligencji, aby przeszukać każdy zakątek biologii – zarówno żywych, jak i wymarłych – w poszukiwaniu cząsteczek o potencjale antybiotycznym. Ma to na celu powstrzymanie problemu, który staje się coraz poważniejszym globalnym problemem zdrowotnym: opornych bakterii.

To właśnie wzrost liczby zakażeń opornych na leki i zagrażających życiu sprawił, że tym razem zespół naukowców w poszukiwaniu nowych leków zwrócił się ku niekonwencjonalnemu źródłu: archeonom.

W porównaniu z bakteriami i grzybami ta rozległa i słabo poznana dziedzina życia — składająca się z jednokomórkowych organizmów, które rozwijają się w najbardziej ekstremalnych środowiskach na Ziemi — została pominięta w poszukiwaniach antybiotyków, zgodnie z oświadczeniem Uniwersytetu Pensylwanii.

Naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki głębokiego uczenia do analizy proteomów (zespołu białek produkowanych przez organizm i zakodowanych w jego genomie) setek archeonów. Ich algorytm zidentyfikował kilkadziesiąt potencjalnych związków przeciwdrobnoustrojowych, które zbiorczo określano mianem „archein”.

Po syntezie 80 z tych związków naukowcy odkryli, że 93% z nich wykazywało aktywność przeciwdrobnoustrojową w testach laboratoryjnych. Wśród nich archeazyna-73 wyróżniała się skutecznością, osiągając skuteczność porównywalną z antybiotykiem nowej generacji, polimyksyną B, w żywych modelach – myszach.

„Nasze badania ujawniają, że archeony, wciąż niezbadana dziedzina życia, kryją w sobie ogromne zasoby cząsteczek przeciwdrobnoustrojowych, które mogą potencjalnie zwalczać oporność na antybiotyki” – mówi Marcelo Torres, jeden z autorów badania.

Naukowcy kontynuują, że wykorzystując głębokie uczenie do eksploracji archeomu, odkryto archeany – nowe peptydy antybiotyczne o silnym działaniu zarówno w modelach in vitro, jak i in vivo.

De la Fuente z kolei twierdzi, że to pokazuje, jak sztuczna inteligencja może odkrywać nowe antybiotyki z nieoczekiwanych źródeł biologicznych. „Połączenie algorytmów z szybkimi testami eksperymentalnymi pozwala nam przyspieszyć odkrycia z cyfrową prędkością”.

Naukowcy podkreślają, że odkrycia te pojawiają się w krytycznym momencie. Wraz z rozwojem patogenów opornych na leki, rośnie zapotrzebowanie na rozwiązania kryzysu oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe.

Odkrycia te wskazują, że archeony mogą zawierać „niezliczoną liczbę” cennych związków o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, co otwiera nowe możliwości walki z zakażeniami, które nie reagują już na istniejące leki.

Podkreślając potencjał tych dotychczas pomijanych organizmów, badania te stanowią podwaliny nowego kierunku w rozwoju antybiotyków, „który może pomóc w rozwiązaniu jednego z najpoważniejszych wyzwań współczesnej medycyny” – mówią eksperci.

Wielka „biblioteka molekularna”

Te nowe potencjalne związki przeciwdrobnoustrojowe staną się częścią zbioru, który De la Fuente i jego zespół gromadzili przez ostatnie lata, „molekularnej biblioteki” zawierającej ponad milion peptydów — krótkich łańcuchów aminokwasów znanych ze swojego potencjału jako innowacyjnych antybiotyków.

Znaleziono je u neandertalczyków, denisowian, mamutów włochatych, słoni o prostych kłach i olbrzymich leniwców – wszystkie te gatunki wymarły – a także w ślinie ludzkiej i mikrobiomie, w wnętrznościach świń, roślinach i wielu innych organizmach morskich i lądowych.

W ramach tego badania zespół wykorzystał zaktualizowaną wersję APEX, narzędzia opartego na sztucznej inteligencji, które laboratorium De la Fuente pierwotnie opracowało w celu identyfikacji kandydatów na antybiotyki w starożytnej biologii, w tym białek pochodzących od wcześniej wspomnianych wymarłych zwierząt.