استخدام الذكاء الاصطناعي لإعادة المضادات الحيوية للإنسان البدائي

[إعلان 1]

خطر البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية

وبحسب منظمة الصحة العالمية، بما أن العالم يواجه ما يقرب من خمسة ملايين حالة وفاة كل عام مرتبطة بالبكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية، فإن الحاجة إلى إيجاد أدوية محتملة للتعامل مع هذا الوضع أصبحت ملحة للغاية.

والآن، يستخدم فريق بقيادة رائد التكنولوجيا الحيوية سيزار دي لا فوينتي أساليب حسابية تعتمد على الذكاء الاصطناعي لاستخراج السمات الجينية من أقارب البشر المنقرضين مثل إنسان نياندرتال، لإعادة المضادات الحيوية الخاصة بهم إلى ما قبل 40 ألف عام.

من جاءت فكرة مقاومة المضادات الحيوية وهل انقرض إنسان نياندرتال صورة 1 — نموذج الإنسان النياندرتال المنقرض. الصورة: جيتي

ومن خلال البحث، اكتشف العلماء عدداً من جزيئات البروتين أو الببتيد الصغيرة التي لديها القدرة على محاربة البكتيريا، وهو ما قد يمهد الطريق لتطوير أدوية جديدة لمحاربة العدوى لدى البشر.

المضادات الحيوية (مثل البنسلين) هي تلك التي يتم إنتاجها بشكل طبيعي (عن طريق كائن حي مضاد للميكروبات آخر)، في حين أن المضادات الحيوية غير المضادة للمضادات الحيوية (مثل السلفوناميدات والمطهرات) هي تلك التي يتم إنتاجها بشكل صناعي بالكامل.
ومع ذلك، يتقاسم كلا النوعين نفس الهدف وهو قتل أو منع نمو الكائنات الحية الدقيقة وكلاهما يقع ضمن فئة العلاج الكيميائي المضاد للبكتيريا. تشمل العوامل المضادة للبكتيريا المطهرات والصابون المضاد للبكتيريا والمنظفات الكيميائية؛ في حين أن المضادات الحيوية هي مضادات للبكتيريا مهمة وتستخدم على وجه التحديد في الطب وأحيانًا في أعلاف الحيوانات.
لا تعمل المضادات الحيوية ضد الفيروسات التي تسبب أمراضًا مثل نزلات البرد أو الأنفلونزا، لذا فإن الأدوية التي تمنع الفيروسات تسمى مضادات الفيروسات أو مضادات الفيروسات القهقرية، وليس المضادات الحيوية.

وقال الدكتور سيزار دي لا فوينتي من جامعة بنسلفانيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، الذي قاد فريق البحث: "إنه يسمح لنا باكتشاف تسلسلات جديدة، وأنواع جديدة من الجزيئات التي لم يتم اكتشافها من قبل في الكائنات الحية، مما يفتح لنا المجال للتفكير على نطاق أوسع حول التنوع الجزيئي". "لم تتعرض البكتيريا اليوم أبدًا لهذه الجزيئات الجديدة، لذا يمكن أن تكون هذه فرصة جيدة للتعامل مع مسببات الأمراض التي يصعب علاجها حاليًا."

ويقول الخبراء إن هناك حاجة ماسة إلى التوصل إلى نتائج جديدة بشأن مشكلة البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. يقول مايكل ماهان، أستاذ علم الأحياء الجزيئي والخلوي والتنموي في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: "يواجه العالم أزمة مقاومة المضادات الحيوية... إذا كنا بحاجة إلى العودة إلى الماضي للتوصل إلى حلول محتملة للمستقبل، فأنا أؤيد ذلك تمامًا".

اقتراحات من "حديقة جوراسيك"

معظم المضادات الحيوية هي من أصل ميكروبي وفطري، ويتم اكتشافها عن طريق فحص الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في التربة. لكن في العقود الأخيرة، أدى الإفراط في استخدام المضادات الحيوية إلى ظهور مقاومة لدى مسببات الأمراض لها.

على مدى العقد الماضي، استخدم دي لا فوينتي أساليب حسابية لتقييم إمكانات الببتيدات المختلفة كبدائل للمضادات الحيوية. في أحد الأيام، أثناء وجودنا في المختبر، تم ذكر فيلم "جوراسيك بارك" بشكل مفاجئ، مما أعطى فريق العلماء فكرة لدراسة الجزيئات المنقرضة. "لماذا لا نعيد الجزيئات من الماضي؟" قال.

وللعثور على الببتيدات غير المعروفة سابقًا، قام الفريق بتدريب خوارزمية الذكاء الاصطناعي للتعرف على المواقع المجزأة في البروتينات البشرية التي قد يكون لها نشاط مضاد للبكتيريا. ثم قام العلماء بتطبيق هذه النتائج على تسلسلات البروتين المتاحة للعامة للإنسان الحديث (الإنسان العاقل)، والإنسان النياندرتالي (الإنسان النياندرتالي)، والإنسان الدينيسوفاني - وهو نوع بشري قديم آخر وثيق الصلة بالإنسان النياندرتالي.

ثم استخدم الفريق خصائص الببتيدات المضادة للبكتيريا السابقة للتنبؤ بالببتيدات القديمة الأكثر احتمالية لقتل البكتيريا.

وبعد ذلك، قام الفريق بتصنيع واختبار 69 من الببتيدات الأكثر فعالية لمعرفة ما إذا كانت قادرة على قتل البكتيريا. قام الفريق باختيار ستة من الأقوى، بما في ذلك أربعة من البشر المعاصرين، وواحد من إنسان نياندرتال، وواحد من إنسان دينيسوفا.

وقد عرضهم الفريق لفئران مصابة ببكتيريا Acinetobacter baumannii، وهي سبب شائع للعدوى المكتسبة من المستشفيات لدى البشر. (العدوى المكتسبة من المستشفى هي عدوى يكتسبها المريض أثناء تلقيه العلاج في المستشفى ولم تكن موجودة عند دخوله.)

من جاءت فكرة مقاومة المضادات الحيوية وهل انقرض إنسان نياندرتال الصورة 2 — ومن بين الببتيدات الستة التي اختارتها الخوارزمية، كان الببتيد المأخوذ من إنسان نياندرتال هو الأكثر فعالية في مكافحة مسببات الأمراض في الفئران المصابة بالبكتيريا، كما يقول رائد التكنولوجيا الحيوية سيزار دي لا فوينتي من جامعة بنسلفانيا. (الصورة: جامعة بنسلفانيا)

أعتقد أن إحدى أكثر اللحظات إثارةً كانت عندما أعدنا بناء الجزيئات كيميائيًا في المختبر، ثم أعدناها إلى الحياة لأول مرة. لقد كان من المذهل من منظور علمي رؤية تلك اللحظة، كما قال دي لا فوينتي.

وفي النتائج التجريبية، في الفئران المصابة التي أصيبت بخراجات جلدية، قتلت الببتيدات البكتيريا بشكل نشط؛ وفي الفئران المصابة بعدوى الفخذ، كانت الببتيدات أقل فعالية، ولكنها لا تزال تمنع نمو البكتيريا.

وقال دي لا فوينتي "كان أفضل ببتيد هو ما نسميه نياندرتال 1، من إنسان نياندرتال، وكان هذا هو الذي عمل بشكل أفضل في الفئران".

هناك حاجة إلى مزيد من البحث

ومع ذلك، أكد السيد دي لا فوينتي أن أيًا من الببتيدات "ليس جاهزًا للاستخدام كمضادات حيوية" وبدلاً من ذلك سوف يتطلب الكثير من التعديل. وفي بحث من المقرر نشره العام المقبل، قام هو وزملاؤه بتطوير نموذج جديد للتعلم العميق لاستكشاف تسلسلات البروتين في 208 كائنات منقرضة بمعلومات وراثية مفصلة.

وقد اكتشف الفريق أكثر من 11 ألف ببتيد مضاد للميكروبات لم يتم اكتشافها من قبل، والتي توجد فقط في الكائنات المنقرضة، وقاموا بتصنيع الببتيدات الأكثر واعدة من الماموث الصوفي السيبيري، وبقرة البحر ستيلر (ثدييات بحرية انقرضت في القرن الثامن عشر بسبب الصيد في القطب الشمالي)، والكسلان العملاق، والأيائل الأيرلندية العملاقة (Megaloceros giganteus). وأضاف أن الببتيدات المكتشفة حديثا تتمتع "بنشاط مضاد للعدوى ممتاز" لدى الفئران.

وقال الدكتور دميتري جيلاروف، قائد الفريق في مركز جون إينيس في المملكة المتحدة، إن العقبة أمام العثور على مضادات حيوية جديدة هي أنها قد تكون غير مستقرة ويصعب تصنيعها. وقال جيلاروف "هناك الكثير من المضادات الحيوية الببتيدية التي لا يتم تطويرها أو متابعتها من قبل الصناعة بسبب صعوبات مثل السمية".

ومن بين 10 آلاف مركب واعد حددها الباحثون، حصل مضاد حيوي واحد أو اثنان فقط على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، وفقًا لدراسة نُشرت في مايو/أيار 2021.

قالت الدكتورة مونيك فان هوك، أستاذة ومديرة مشاركة للأبحاث في كلية علم الأحياء الأنظمة في جامعة جورج ماسون (الولايات المتحدة الأمريكية)، إنه من النادر جدًا أن يقوم الببتيد الموجود في الطبيعة بإنشاء دواء جديد أو نوع آخر من المضادات الحيوية بشكل مباشر.

وقال فان هوك إن اكتشاف الببتيد الجديد سيمهد الطريق للباحثين لاستخدام التقنيات الحسابية لاستكشاف وتحسين إمكانات الببتيد كمضاد حيوي جديد.

تركز فان هوك حاليًا أبحاثها على الببتيد الاصطناعي المشتق من ببتيد طبيعي موجود في التماسيح الأمريكية. يخضع الببتيد حاليًا للاختبارات السريرية المسبقة.

ورغم أنه قد يبدو غريباً الحصول على مضادات حيوية جديدة من التماسيح المنقرضة أو البشر، فإن شدة البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية تجعل مثل هذا البحث جديراً بالاهتمام، كما يقول فان هوك.

هواي فونج (بحسب سي إن إن)

[إعلان 2]
مصدر