人工智能找到全新抗生素 可杀死超级耐药菌

发表于 5年以前  | 总阅读数:663 次

Image credit: Amanda Cicero, Luca Vallescura, Darryl “Moose” Norris, and Chris Sinclair

科学家们是怎么想到用人工智能来寻找新型抗生素的呢?在论文的开头,他们介绍说自青霉素诞生以来,抗生素已经成为了现代医学的基石之一。然而随着抗生素的滥用,越来越多的细菌对抗生素产生了耐药性。不幸的是,过去许多抗生素都来自于土壤中的微生物,用开发传统药物的方式来开发抗生素并不容易。这也就不难理解,为何在过去的几十年里,诞生的新型抗生素寥寥无几,且结构上与过去已有的抗生素大同小异。

为了改变这一困境,研究人员们开发了一种机器学习的模型。具体来看,这种模型能够自动学习不同药物分子里的结构,不但可以掌握这些分子的不同位置是否存在特定的化学基团,还能够预测这些分子的特性。

▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

随后,研究人员们给这种模型提供了2335个用于“学习”的不同分子,这些分子中有美国FDA已经批准的药物,也有不少具有广泛生物活性的天然分子。研究人员们希望在训练之后,这种模型能够学会识别能有效杀死大肠杆菌的药物。

训练完毕后,是检验这套机器学习模型学习能力的时候了。研究人员们使用Broad研究所的一个化合物库,让这套模型从其中6111个分子里,寻找具有潜在抗菌潜力的分子。从中,这种模型认为一个分子具有很强的抗菌活性。有意思的是,这种分子原先是作为一种糖尿病药物而开发出来的,在结构上和已有的任何一种抗生素都明显不同。后续的一些研究,也表明该分子对人类细胞的毒性较低。

据麻省理工学院的新闻透露,研究人员们致敬经典科幻片《2001太空漫游》(2001: A Space Odyssey),将该分子命名为halicin(电影里的人工智能系统叫做HAL 9000)。随后,他们在培养皿里测试了halicin对多种耐药菌的杀菌效果,而结果令人欣喜!除了铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,一种难治的肺部病原体)之外,halicin对所有测试的耐药菌都有杀伤作用。

▲除了铜绿假单胞菌(蓝色)外,halicin在测试的几种耐药菌里,显示了良好的广谱抗菌活性(图片来源:参考资料[1])

当然,培养皿中的结果,还不能代表活体动物上的抗菌疗效。于是,研究人员们又让小鼠感染上了一种超级耐药的鲍氏不动杆菌(A。 baumannii)。同样据麻省理工学院的新闻介绍,这种超级细菌能耐受已知所有的抗生素!而halicin再次显现出了神奇的效果——含有halicin的软膏在24小时内,就彻底清除了感染。

基于以上这些结果,研究人员们指出,halicin具有广谱的抗菌活性。而从机理上看,这是因为它能干扰细菌,不让它们形成跨膜的电化学梯度。一般情况下,这种电化学梯度能协助细菌产生能量。如果没有这种梯度,细菌就会死亡。研究人员们也提到,重塑电化学梯度的过程非常复杂,不是简单的几个突变就能完成的,因此这也最大程度上杜绝了耐药性的产生。

利用这套系统,研究人员们进一步在另一个数据库里筛选了数亿个分子,并从中找到了23个与现有抗生素结构迥异,且对人类细胞无毒性的潜在抗菌分子。这一筛选过程,只用了短短的3天时间。后续的研究也表明,其中8个分子的确有抗细菌的活性,2个分子的活性尤其强。科学家们也计划继续对这些分子进行研究和评估。

正如一些科学家所言,这项突破性的研究是抗生素药物研发的一个范式改变,有望提高我们发现新型抗生素的效率,给我们带来更多抗击超级细菌的武器。

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