Umelá inteligencia pri objavovaní nového antibiotika

Vedci tak ďalej bádajú a stále zúfalejšie hľadajú nejaké látky, ktoré by mohli nahradiť súčasné antibiotiká, ale to nie je vôbec ľahké. Penicilín bol zásah do čierneho, pretože sa v ňom podarilo náhodou odhaliť nesmierne účinného zabijaka baktérií. V nový objav dúfajú výskumníci, ktorí sa rozhodli nahradiť náhodu umelou inteligenciou.

V odborom časopise Cell teraz popísali, ako využili Artificial Intelligence (ďalej len "umelá inteligencia") pre štúdium celoplanetárneho mikrobiómu. Pomocou strojového učenia sa pokúsili nájsť v nesmierne rozmanitom spektre všetkých mikróbov sveta niečo užitočné, čo by sa mohlo vyrovnať súčasným antibiotikám, a tvrdia, že uspeli. Profesor César de la Fuente z Pensylvánskej univerzity, ktorý výskum viedol, oznámil, že našli asi milión nových buniek, ktoré by doposiaľ využívané antibiotiká mohli nahradiť.

Mikróby sú všadeprítomné, nachádzajú sa v atmosfére, hlbinách oceánov, pôde ale aj ľudských vnútornostiach. Popísať vlastnosti všetkých miniatúrnych tvorov je ľudskými silami takmer nemožné. Presne toto je úloha pre algoritmus založený na strojovom učení, ktorý vie triediť obrovské množstvo informácií. V rámci tejto štúdie vedci zhromaždili genómy uložené vo verejne dostupných databázach a hľadali úseky DNA, ktoré by mohli mať antimikrobiálnu aktivitu. Na overenie týchto predpovedí použili chémiu, aby v laboratóriu syntetizovali stovku molekúl a potom ich otestovali, aby zistili, či naozaj môžu zabíjať baktérie.

V nasledujúcich 10 až 20 rokoch budeme podľa genetičky Edith Heard umierať na bakteriálne infekcie rezistentné na antibiotiká. WHO už dlho varuje pred hrozbou, ktorú predstavujú mikroorganizmy nepriepustné pre existujúcu protidrogovú liečbu, ktorá do roku 2050 zabije odhadom 10 miliónov ľudí ročne, a tak prekoná smrteľnosť rakoviny. Jedným z ľudí v prvej línii boja proti antibiotickej rezistencii je César de la Fuente , víťaz ceny princeznej z Girony za vedecký výskum a profesor bioinžinierstva na University of Pennsylvania. De la Fuente kombinuje umelú inteligenciu a odborné znalosti a skúsenosti svojho výskumného tímu Machine Biology Group, aby objavil a analyzoval tisíce molekúl a antibakteriálnym potenciálom. Tím hľadá život zachraňujúce vzorky v prírodných zlúčeninách, ako je jed osy, alebo vo vlastnej proteínovej mape ľudského tela. A teraz, v starodávnej DNA našich neandertálskych predkov kriesi molekuly, ktoré Homo sapiens stratil v priebehu evolúcie.

V tele je viac bakteriálnych ako ľudských buniek. Medzi najdôležitejšie atribúty baktérií - najhojnejších organizmov na planéte, zodpovedných za všetko od vytvárania zubného povlaku až po udržanie plodnosti Zeme - patrí ich schopnosť vyvinúť rezistenciu na antibiotiká. Táto pôsobivá činnosť však ohrozuje životy miliónov ľudí.

De la Fuenteho tím hľadá zlúčeniny, ktoré by reagovali na túto výzvu. Analýzou proteómu - kompletnej sady proteínov v tele - títo vedci objavili 2 603 peptidov (molekúl tvorených aminokyselinami) s biologickými funkciami, ktoré nesúvisia s imunitným systémom, ale majú protiinfekčné vlastnosti.

Fuenteho tím pracuje s procesom známym ako obnova zlúčenín z minulosti, ktoré už neexistujú. Vyvinuli algoritmus na preskúmanie ľudského proteómu ako zdroja antibiotík a našli mnoho takýchto sekvencií, ktoré nazývajú šifrované peptidy. To ich viedlo k domnienke, že tieto sekvencie boli produkované počas evolúcie a hrali úlohu v imunitnom systéme, aby chránil ľudí. Základný proteóm bol zverejnený vďaka výskumu DNA predkov Svante Pääba, ktorý získal minuloročnú Nobelovu cenu na identifikáciu genetiky vyhynutých ľudí. Fuenteho ľudia vyvinuli algoritmus na preskúmanie týchto údajov - týchto ľudských proteómov - aby zistili, či by mohli nájsť antibiotiká kódované v proteínoch. Koncept bol inšpirovaný filmom Jurský park. Myšlienkou filmu bolo priviesť celé organizmy - dinosaury - späť k životu. To však predstavuje veľa etických, ekologických a technických problémov. Dnes nemáme nedostatok genomických informácií na vzkriesenie dinosaura. Namiesto toho prišli s myšlienkou molekulárneho vyhynutia: namiesto vzkriesenia celého organizmu sa snažíme oživiť molekuly z minulosti, aby nám pomohli vyriešiť súčasné problémy rezistencie na antibiotiká.

Výskum tímu, publikovaný v časopise Cell Host & Microbe využíva genomické a proteomické informácie z mitochondriálnej DNA pomocou algoritmu navrhnutého tímom a pomocou umelej inteligencie na nájdenie molekúl, ktoré by sa mohli použiť ako potenciálne antibiotiká. Najfascinujúcejším momentom bolo vzkriesenie molekúl pomocou metód známej ako chemická syntéza v pevnej fáze. Použili kód, ktorý počítač poskytuje o aminokyselinách s kapacitou antibiotík, aby stroje chemicky syntetizovali molekuly. Výsledky boli experimentálne overené odhalením vzkriesených molekúl (štyri peptidy z Homo sapiens, jeden z Homo neanderthalensis a jeden z Denisova hominins) v Petriho miskách a u myší postihnutých baktériou Acinetobacter baumannii, častou príčinou nemocničných infekcií. Všetkých šesť experimentov preukázalo pozitívne účinky v rôznej miere, niektoré s podobnou účinnosťou ako súčasné konvenčné antibiotiká. Podľa Nathanela Graya, chemického biológa zo Standfordskej univerzity, ktorý sa nepodieľal na výskume, použité dávky boli extrémne vysoké, ale myšlienka je zaujímavá. Gray pochybuje, že dôjde k okamžitému vývoju liekov založených na objave vyhynutých zlúčenín. Závery môžu pomôcť ­otvoriť nové priestory, predtým skúmané, čo znamená, že sa môže použiť