Искусственный интеллект обнаружил новый антибиотик

Исследователи MIT с помощью алгоритма машинного обучения идентифицировали новое мощное антибактериальное соединение. В лабораторных тестах это вещество убивало многие из самых проблемных болезнетворных бактерий в мире, включая штаммы, устойчивые ко всем известным антибиотикам. Оно также вылечило инфекции в двух разных моделях на мышах.

Компьютерная модель, способная проанализировать более ста миллионов химических соединений за несколько дней, предназначена для выявления потенциальных антибиотиков, убивающих бактерии с помощью механизмов, отличных от механизмов существующих препаратов.

«Мы хотели разработать платформу, которая позволила бы нам использовать силу искусственного интеллекта, чтобы открыть новую эру в открытии антибиотиков», — говорит Джеймс Коллинз, профессор медицинской инженерии и науки в MIT. — «Наш подход выявил эту удивительную молекулу, которая, возможно, является одним из самых мощных антибиотиков из когда-либо обнаруженных».

В своем исследовании ученые также определили несколько других многообещающих кандидатов в антибиотики, которые планируют изучить дальше. Они полагают, что модель также можно использовать для проектирования новых лекарств на основе изученных ею химических структур, обеспечивающих антибактериальный эффект.

«Модель машинного обучения может исследовать in silico огромные химические пространства, изучение которых традиционными экспериментальными подходами было бы непомерно дорогим», — говорит Регина Барзилай, профессор электротехники и информатики в MIT.

Новый подход

За последние десятилетия было разработано очень мало новых антибиотиков, и большинство из одобренных являются слегка измененными вариантами существующих препаратов. Современные методы скрининга часто чрезмерно дороги, требуют много времени и обычно ограничены узким спектром химического разнообразия.

«Мы сталкиваемся с растущим кризисом устойчивости к антибиотикам, который вызван как увеличением числа патогенов, становящихся резистентными к существующим антибиотикам, так и вялым потоком новых антибиотиков от биотехнологических и фармацевтических компаний», — говорит Коллинз.

Чтобы найти совершенно новые соединения, исследователи обучили модель на примерно 2500 молекулах, включая около 1700 одобренных FDA лекарств и 800 природных соединений. Затем модель протестировали на библиотеке из около 6000 соединений Broad Institute's Drug Repurposing Hub.

Модель выбрала одну молекулу, предсказанную как обладающую сильной антибактериальной активностью и имеющую химическую структуру, отличную от существующих антибиотиков. Другая модель машинного обучения показала, что эта молекула, вероятно, будет иметь низкую токсичность для человеческих клеток.

Открытие галицина

Эту молекулу, названную исследователями галицином (в честь вымышленной системы ИИ из «Космической одиссеи 2001 года»), ранее изучали как возможное лекарство от диабета.

• В лабораторных тестах галицин убивал многие устойчивые к лечению бактерии, включая Clostridium difficile, Acinetobacter baumannii и Mycobacterium tuberculosis.
• Препарат был эффективен против всех протестированных видов, за исключением Pseudomonas aeruginosa.
• В испытаниях на мышах, зараженных устойчивым ко всем известным антибиотикам штаммом A. baumannii, мазь с галицином полностью вылечила инфекции в течение 24 часов.

Предварительные исследования показывают, что галицин убивает бактерии, нарушая их способность поддерживать электрохимический градиент на клеточных мембранах. Этот градиент необходим, среди прочего, для производства АТФ (молекул, которые клетки используют для хранения энергии). Такой механизм действия может затруднить развитие устойчивости у бактерий.

• В ходе 30-дневного эксперимента E. coli не развила устойчивости к галицину.
• Для сравнения: устойчивость к антибиотику ципрофлоксацину начала развиваться через 1–3 дня, а через 30 дней бактерии стали примерно в 200 раз более устойчивыми.

Дальнейший скрининг и перспективы

После открытия галицина исследователи использовали свою модель для скрининга более 100 миллионов молекул из базы данных ZINC15. Этот скрининг занял всего три дня и выявил 23 кандидата, структурно отличающихся от существующих антибиотиков и предсказанных как нетоксичные.

В лабораторных тестах против пяти видов бактерий восемь молекул показали антибактериальную активность, две из которых были особенно мощными.

Исследователи планируют:

1. Дальнейшее изучение галицина для возможного применения у людей.
2. Тестирование новых выявленных кандидатов.
3. Использование модели для проектирования новых антибиотиков и оптимизации существующих молекул, например, для придания им избирательности действия.