Представьте бактериальную клетку — одну из тех [многократного действия, устойчивых к лекарствам разновидностей](https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9467707/), которые не дают покоя экспертам по инфекционным заболеваниям, — разорванную, как микроскопическую петарду.
Именно это и происходит, когда новый вид молекул под названием SNAPP встречает бактерии. Это не научная фантастика — это молекулярная динамика в действии.
Наша команда использует компьютерное моделирование [молекулярной динамики](https://phys.org/tags/molecular+dynamics/), чтобы понять, как [SNAPPs](https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016162) — структурно наноинженерные антимикробные пептидные полимеры — разрушают устойчивые к лекарствам бактерии.
Мы надеемся изменить правила игры в борьбе с нарастающим [глобальным кризисом в области здравоохранения, связанным с устойчивостью к противомикробным препаратам](https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/antimicrobial-resistance).
Молекулы SNAPP напоминают крошечных медуз
Молекулы SNAPP напоминают крошечных медуз — мягкие, сферические тела с волнистыми «щупальцами» из аминокислот, которые взаимодействуют с мембранами, окружающими бактериальные клетки. И эти щупальца смертоносны.
Даже при низких концентрациях SNAPPs вызывают разрыв, коллапс и распад мембран бактериальных клеток. Вместо того чтобы просто атаковать бактерии, SNAPPs дестабилизируют фундаментальную структурную целостность мембраны. Это исключает любую возможность развития у бактерий устойчивости к SNAPPs.
Синтез SNAPPs
Профессора [Грег Цяо и Нил О’Брайен-Симпсон](https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016162) первыми [разработали синтез SNAPPs](https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016162), впервые продемонстрировав их антимикробную активность в лаборатории.
Но не все SNAPPs ведут себя одинаково. Небольшие изменения в последовательности, типе и количестве их аминокислотных «щупалец» могут изменить эффективность уничтожения бактерий и возможность воздействия на клетки человека.
Существует множество возможных вариантов SNAPPs. Есть 20 типов аминокислот, и сотни из них распределены по восьми «щупальцам» каждой молекулы SNAPP. Это означает бесчисленное количество возможных комбинаций.
В группе [Soft Matter Informatics](https://www.elliehajizadeh.com/) мы объединяем вычислительное материаловедение с [машинным обучением](https://phys.org/tags/machine+learning/) и [объяснимым искусственным интеллектом (XAI)](https://www.ibm.com/think/topics/explainable-ai), чтобы решать сложные конструкторские задачи, такие как SNAPPs.
Мы создали [компьютерные модели симуляции](https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.4c06691), которые позволяют нам увидеть то, что не может увидеть ни один эксперимент: взаимодействие между молекулой SNAPP и мембраной бактериальной клетки на наноуровне (миллиардные доли метра).
Как молекулы SNAPP разрывают бактерии изнутри
Доктор философии Амаль Джаявардена потратила несколько лет на создание [подробных моделей](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.4c06691), которые показывают, как «щупальца» SNAPP погружаются в мембраны бактерий, обволакивают их и, по сути, разрывают изнутри. Это потрясающе, и это иллюстрирует, почему даже несколько молекул SNAPP могут быть смертельными для бактерий.
Важно и то, что мы видим, как эти молекулы не взаимодействуют с клетками млекопитающих таким же образом. Это связано с тем, что бактериальные мембраны несут особый поверхностный заряд — особенность, которой нет у наших клеток. Это часть того, что делает некоторые [новые варианты](https://arxiv.org/abs/2505.06447) SNAPPs столь перспективными в качестве целевых противомикробных препаратов.
Конечно, симуляция одной молекулы SNAPP за раз не приведёт нас далеко. Слишком много возможных комбинаций. Нам нужна система, которая знает, где искать и что искать. Поэтому мы создаём её.
Мы назвали её Bandicoot. Мы назвали её в честь [умных маленьких сумчатых](https://www.bushheritage.org.au/species/bandicoots?srsltid=AfmBOopEyHAxgxf3kHwMahm3wOVDzR2UbQ9z5UbmrIWlDv6yeV-O96Ys), которые роются в почве, вынюхивая то, что скрыто под поверхностью.
Bandicoot исследует сложные данные, определяет, где наши знания неполны, и направляет симуляции и эксперименты в наиболее перспективные области.
Доктор Ник Роб создал [программную платформу для генерации симуляций промышленных полимеров](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025625002745). Мы адаптировали её для создания тысяч различных вариантов SNAPP.
А доктор философии Джалал Абдолахи разработал [алгоритмы «интеллектуального поиска»](https://pubs.aip.org/sor/jor/article/69/2/183/3335515) — инструменты, которые помогают Bandicoot решать, какие варианты SNAPP стоит симулировать дальше.
Объяснимый ИИ даёт нам понимание того, какие части молекулы SNAPP делают её эффективной и как эти особенности взаимодействуют. Такая интерпретируемость имеет решающее значение. Она помогает учёным, таким как мы, понять фундаментальные правила, лежащие в основе молекулярного поведения.
Эти объяснения не просто удовлетворяют любопытство — они также помогают ускорить процесс открытия.
Антибиотикорезистентность — это глобальный кризис в области здравоохранения. Но с такими инструментами, как SNAPPs и Bandicoot, мы переходим от реакции к предсказанию — от тушения пожаров к проектированию огнеупорных систем. Впервые за десятилетия верх может оказаться в пределах досягаемости.
Умные молекулы, созданные более умными системами, с потенциалом превзойти супербактерии в их собственной игре.
Предоставлено[Университетом Мельбурна](https://phys.org/partners/university-of-melbourne/)