Машинное обучение предсказывает распространение устойчивости к антибиотикам

Бактерии могут передавать гены друг другу или получать их из окружающей среды через процесс горизонтального переноса генов, который является основной причиной распространения устойчивости к антибиотикам.

Исследователи из Корнеллского университета использовали машинное обучение для классификации организмов по их функциям. Эта информация позволила им с почти идеальной точностью предсказать, как гены передаются между организмами. Такой подход потенциально может быть использован для остановки распространения устойчивости к антибиотикам.

Статья команды "Functions Predict Horizontal Gene Transfer and the Emergence of Antibiotic Resistance" опубликована 22 октября в Science Advances. Ведущий автор — аспирант Хао Чжоу.

Вместо проверки отдельных гипотез команда Иланы Брито изучила геномы бактерий и их различные функции (от репликации ДНК до метаболизма углеводов), чтобы выявить признаки, указывающие на "участников" обмена генами и движущие силы этих сетей.

Команда использовала несколько моделей машинного обучения, каждая из которых выявляла различные закономерности в данных. Это позволило идентифицировать множественные сети распространения разных генов устойчивости к антибиотикам, в том числе среди штаммов одного организма.

В исследовании основное внимание уделялось организмам, связанным с почвой, растениями и океанами, но модель также хорошо подходит для изучения патогенов, ассоциированных с человеком (таких как Acinetobacter baumannii и E. coli), и локальных сред, например, микробиома кишечника отдельного человека.

Модели машинного обучения оказались особенно эффективными применительно к генам устойчивости к антибиотикам.

Ключевой вывод: сеть бактериального обмена генами — особенно для устойчивости к антибиотикам — предсказуема. Это не случайный процесс.

Одним из самых неожиданных открытий стало то, что моделирование предсказало множество возможных, но ещё не наблюдавшихся передач генов устойчивости между бактериями, ассоциированными с человеком, и патогенами. Эти вероятные события передачи были почти исключительно свойственны бактериям, связанным с микробиомом кишечника или ротовой полости человека.

Это исследование может помочь в выборе конкретного антибиотика для пациента на основе анализа его микробиома. Кроме того, в данных могут быть обнаружены новые мишени для антибиотиков — гены, способные ослабить способность организмов сохраняться в определённых средах или приобретать гены устойчивости.

В исследовании также принял участие Хуан Фелипе Бельтран, Ph.D. '19.