ИИ обнаруживает «археазины» — уникальные антибиотики из древних архей

от

Археи — одни из древнейших форм жизни на Земле. Они выживали миллиарды лет в кипящих кислотах, глубоководных жерлах и соляных равнинах. Теперь эти микробы предлагают новое оружие в борьбе с одной из самых актуальных угроз здоровью: устойчивостью к антибиотикам.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Microbiology, учёные из Университета Пенсильвании использовали искусственный интеллект (ИИ), чтобы выявить ранее неизвестные соединения в археях, которые могут стать основой для разработки антибиотиков нового поколения.

«Предыдущие попытки найти новые антибиотики были сосредоточены в основном на грибах, бактериях и животных», — говорит Сесар де ла Фуэнте, профессор биоинженерии и химической и биомолекулярной инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Университета Пенсильвании.

Лаборатория де ла Фуэнте использовала модели ИИ для выявления потенциальных антибиотиков в самых разных источниках: от ДНК вымерших организмов до химических веществ в ядах животных. Теперь они применяют эти инструменты к новым данным: белкам сотен древних микробов.

«Существует целый другой домен жизни, который ждёт своего изучения», — говорит де ла Фуэнте.

Археи отличаются от бактерий и эукариот (к которым относятся растения, животные и грибы). Они занимают свою ветвь на дереве жизни. Хотя под микроскопом они напоминают бактерии, археи фундаментально отличаются по генетике, клеточным мембранам и биохимии. Эти различия позволяют им выживать в экстремальных условиях Земли, от перегретых подводных жерл до горячих источников, подобных тем, что в Йеллоустонском национальном парке.

Поскольку археи часто процветают там, где мало кто из других организмов может выжить — выдерживая огромное давление, токсичные химические вещества и экстремальные температуры — их биология развивалась необычным образом. Это делает их перспективным, но практически не изученным источником новых молекулярных инструментов, включая соединения, которые могут действовать как антибиотики, но работать иначе, чем те, что используются в настоящее время.

«Нас привлекли археи, потому что им пришлось развить биохимические защитные механизмы в необычных средах», — говорит Марсело Торрес, научный сотрудник лаборатории де ла Фуэнте и соавтор статьи. «Мы подумали, что если они выживали миллиарды лет в таких условиях, возможно, они разработали уникальные способы борьбы с микробными конкурентами, и, возможно, мы могли бы этому научиться».

Чтобы обнаружить потенциальные антибиотические соединения, скрытые в археях, исследователи обратились к искусственному интеллекту. Команда использовала обновлённую версию APEX — инструмента ИИ, разработанного лабораторией де ла Фуэнте для выявления потенциальных антибиотиков в древней биологии, в том числе в белках вымерших животных, таких как шерстистый мамонт.

APEX может предсказывать вероятность того, что данная последовательность аминокислот будет иметь антимикробные свойства. Переобучив APEX 1.1 на тысячах дополнительных пептидов и информации о бактериях, вызывающих заболевания у людей, исследователи подготовили инструмент для предсказания того, какие пептиды в археях могут подавлять рост бактерий.

Сканирование 233 видов архей дало более 12 000 потенциальных кандидатов в антибиотики. Исследователи назвали эти молекулы «археазинами», которые, как показал химический анализ, отличаются от известных антимикробных пептидов (АМП), в частности, распределением электрического заряда.

Исследователи отобрали 80 археазинов для тестирования на реальных бактериях. «Поиск новых антибиотиков по одной молекуле за раз — это как искать иголки в стоге сена», — говорит Фанпин Ван, постдокторант в лаборатории де ла Фуэнте и другой соавтор статьи. «ИИ ускоряет процесс, определяя, где эти иголки могут быть».

Антибиотики действуют по-разному. Некоторые пробивают отверстия в мембранах бактерий, в то время как другие подавляют способность организмов вырабатывать белки. Исследователи обнаружили, что, в отличие от большинства известных АМП, которые атакуют внешние защитные механизмы бактерии, археазины, по-видимому, «выдёргивают вилку из розетки изнутри», нарушая электрические сигналы, поддерживающие жизнь клетки.

В тестах против ряда болезнетворных, устойчивых к лекарствам бактерий 93% из 80 исследованных археазинов продемонстрировали антимикробную активность против хотя бы одной бактерии. Исследователи затем отобрали три археазинов для тестирования на животных моделях.

Через четыре дня после однократного введения археазинов все они остановили распространение устойчивой к лекарствам бактерии, часто приобретаемой в больницах. Одно из трёх соединений продемонстрировало активность, сравнимую с полимиксином В, антибиотиком, обычно используемым в качестве последней линии защиты от устойчивых к лекарствам инфекций.

«Это исследование показывает, что в археях потенциально может быть много антибиотиков, которые ещё предстоит открыть», — говорит де ла Фуэнте. «Поскольку всё больше и больше бактерий развивают устойчивость к существующим антибиотикам, крайне важно найти новые антибиотики в нетрадиционных местах, чтобы заменить их».

В дальнейшем исследователи планируют усовершенствовать APEX, чтобы он мог предсказывать кандидатов в антибиотики на основе их структуры, потенциально повышая точность инструмента. Исследователи также надеются лучше понять долгосрочную эффективность и безопасность археазинов с целью проведения клинических испытаний на людях в будущем.

«Это только начало», — говорит де ла Фуэнте. «Археи — одна из древнейших форм жизни, и они явно могут научить нас многому о том, как перехитрить патогены, с которыми мы сталкиваемся сегодня».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте