Кишечная палочка E. coli до и после встречи с полимером-убийцей
У антибиотиков появился потенциальный конкурент: не новое химическое вещество в привычном смысле, а длинные молекулярные цепочки, которые способны физически разрушать оболочку бактерий. Исследователи из США с помощью искусственного интеллекта отобрали перспективные полимеры из библиотеки в 1,7 млн вариантов. Работа опубликована в научном журнале Cell.
Не «еще один антибиотик», а новый способ атаки
В центре исследования — идея, подсмотренная у антимикробных пептидов. Эти небольшие белковые молекулы способны уничтожать бактерии при непосредственном контакте: они приближаются к клеточной мембране и нарушают ее целостность. При этом им не обязательно проникать внутрь клетки и воздействовать на конкретный белок или биохимический процесс.
Именно здесь кроется потенциально важное преимущество. Бактериям относительно удобно становиться устойчивыми к препарату, который блокирует один определенный молекулярный механизм. А вот полностью перестроить собственную мембрану или изменить ее электрические свойства гораздо сложнее.
Исследователи решили воспроизвести этот способ нападения с помощью полимеров. В отличие от пептидов, их проще и дешевле синтезировать, а сами молекулы дольше сохраняются.
Проблема была в масштабе задачи. Проверить вручную 1,7 млн потенциальных соединений невозможно. Поэтому ученые создали модель машинного обучения, которая оценивала химические свойства молекул и искала среди полимеров кандидатов, похожих по антимикробным характеристикам на эффективные пептиды.
Графический экстракт в рецензируемом журнале.Самое интересное началось там, где засомневался ИИ
У проекта обнаружилась классическая проблема медицинской нейронки: данных о полимерах оказалось намного меньше, чем данных об антимикробных пептидах. Ученые нашли парадоксальный выход. Вместо того чтобы выбирать соединения, относительно которых разные модели приходили к одинаковому выводу, они специально сосредоточились на кандидатах, вызвавших у алгоритмов… наибольшие разногласия.
Из них синтезировали и экспериментально проверили 20 полимеров. Полученные результаты добавили обратно в обучающую систему. После этого ИИ смог значительно сузить поиск и выделил 10 кандидатов, которые уже отправились на полноценные испытания.
Все десять показали высокую антимикробную активность против Escherichia coli. Один из полимеров особенно хорошо справился с биопленками — сообществами бактерий, заключенными в защитную структуру, из-за которой такие инфекции сложно лечить традиционными препаратами. Авторы работы считают, что отобранные соединения относятся к числу наиболее эффективных антимикробных полимеров из описанных на сегодняшний день.
Пока речь идет об экспериментальной разработке, а не о готовом лекарстве из аптеки. Исследователи в основном проверяли подход на кишечной палочке, относящейся к грамотрицательным бактериям. Однако эксперименты показали активность и против грамположительных микроорганизмов, включая Staphylococcus aureus. В перспективе ученые рассчитывают создавать полимеры, «заточенные» под конкретные виды или штаммы бактерий, чтобы атаковать возбудителя инфекции и при этом меньше затрагивать ткани человека и полезные микроорганизмы.
Главный интеллектуальный прорыв состоял в том, чтобы сначала обучить модель на данных об антимикробных пептидах, а затем использовать эти знания для прогнозирования свойств полимеров.Эрик Аппель
В недавней публикации Hi-Tech Mail рассказывалось о механизме самовосстановления бактериальной РНК, который помогает микроорганизмам выживать под действием антибиотиков.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
