Исследователи выявили более 2000 потенциальных токсинов с помощью машинного обучения

В новом исследовании раскрыты секреты уникальной бактериальной системы вооружения, действующей как микроскопический шприц. Работа "Identification of novel toxins associated with the extracellular contractile injection system using machine learning" опубликована в Molecular Systems Biology.

Под руководством доктора Асафа Леви из Еврейского университета и коллег из Университета Иллинойса команда достигла значительного прогресса в понимании внеклеточной контрактильной инъекционной системы (eCIS). Этот механизм используют бактерии и археи для введения токсинов в другие организмы.

Расшифровка бактериального кода с помощью ИИ

eCIS — это оружие длиной 100 нанометров, эволюционировавшее из вирусов (фагов), атакующих микробы. В ходе эволюции эти вирусы утратили способность заражать микробы и превратились в "шприцы", впрыскивающие токсины в насекомых и другие организмы.

Ранее группа Леви установила, что eCIS — это оружие, которое несут более 1000 видов микробов. Эти микробы редко атакуют людей, а роль eCIS в природе в основном неизвестна. Однако известно, что она загружает и вводит белковые токсины.

Конкретные белки, вводимые eCIS, и их функции долго оставались загадкой. До исследования было известно лишь о ~20 таких токсинах.

Чтобы решить эту биологическую головоломку, команда разработала инновационный инструмент машинного обучения. Он комбинирует генетические и биохимические данные различных генов и белков для точного выявления этих неуловимых токсинов. В результате проекта было идентифицировано более 2000 потенциальных токсичных белков.

"Наше открытие не только проливает свет на взаимодействие микробов с хозяевами, но и демонстрирует силу машинного обучения в обнаружении новых функций генов. Это может открыть новые пути для разработки противомикробных методов лечения или биотехнологических инструментов", — объясняет доктор Леви.

Новые токсины с ферментативной активностью против различных молекул

С помощью технологии ИИ исследователи проанализировали 950 микробных геномов и выявили впечатляющие 2194 потенциальных токсина. Четыре новых токсина (EAT14-17) были экспериментально подтверждены: показана их способность ингибировать рост бактериальных или дрожжевых клеток.

Примечательно, что один из этих токсинов, EAT14, ингибирует клеточную сигнализацию в человеческих клетках**, демонстрируя потенциальное влияние на здоровье человека. Группа показала, что новые токсины, вероятно, действуют как ферменты, повреждающие клетки-мишени, атакуя белки, ДНК или молекулы, критически важные для энергетического метаболизма.

Кроме того, группе удалось расшифровать код белковой последовательности, который позволяет загружать токсины в "шприц" eCIS.

Недавно было показано, что eCIS можно использовать как программируемый шприц для инъекций в различные типы клеток, включая клетки мозга. Новые результаты текущего исследования расширяют эти возможности, предоставляя тысячи токсинов, естественным образом вводимых eCIS, и код, облегчающий их загрузку. Этот код можно переносить на другие белки, представляющие интерес.

От микроскопических битв к медицинским прорывам

Результаты исследования могут иметь далеко идущие применения в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии. Вновь выявленные токсины могут быть использованы для разработки новых антибиотиков или пестицидов, эффективных ферментов для различных отраслей промышленности или для создания микробов, нацеленных на конкретные патогены.

Это исследование подчеркивает невероятный потенциал сочетания биологии и искусственного интеллекта для решения сложных проблем, которые в конечном итоге могут принести пользу здоровью человека.

"По сути, мы расшифровываем оружие, которое бактерии эволюционировали и продолжают эволюционировать для конкуренции за ресурсы в природе. Микробы — творческие изобретатели, и приятно быть частью группы, открывающей эти удивительные и неожиданные изобретения", — добавляет доктор Леви.

Исследование возглавили два студента: Алекс Данов и Инбал Поллин из отдела патологии растений и микробиологии Института наук об окружающей среде.