Mithilfe künstlicher Intelligenz „Neandertal-Antibiotika“ zurückbringen

Die Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien

Da es laut WHO weltweit jedes Jahr fast fünf Millionen Todesfälle aufgrund antibiotikaresistenter Bakterien gibt, ist es äußerst dringend, potenzielle Medikamente zur Bekämpfung dieser Situation zu finden.

Nun nutzt ein Team unter der Leitung des Biotechnologie-Pioniers César de la Fuente computergestützte Methoden auf Basis künstlicher Intelligenz (KI), um genetische Merkmale ausgestorbener menschlicher Verwandter wie Neandertaler zu ermitteln und deren Antibiotika 40.000 Jahre zurück zu rekonstruieren.

Das ausgestorbene Menschenmodell des Neandertalers. Foto: Getty

Durch Forschung haben Wissenschaftler eine Reihe kleiner Protein- oder Peptidmoleküle entdeckt, die Bakterien bekämpfen können, was den Weg für neue Medikamente zur Bekämpfung von Infektionen beim Menschen ebnen könnte.

Antibiotika (wie Penicillin) werden auf natürliche Weise (von einem anderen antimikrobiellen Mikroorganismus) produziert, während nicht-antibiotische antimikrobielle Mittel (wie Sulfonamide und Antiseptika) vollständig synthetisch sind.

Beide Arten haben jedoch das gleiche Ziel, nämlich das Abtöten oder Verhindern des Wachstums von Mikroorganismen, und beide fallen unter die Kategorie der antibakteriellen Chemotherapie. Zu den antibakteriellen Mitteln zählen Antiseptika, antibakterielle Seifen und chemische Reinigungsmittel. Antibiotika sind wichtige antibakterielle Mittel, die insbesondere in der Medizin und manchmal in Tierfutter eingesetzt werden.

Antibiotika wirken nicht gegen Viren, die Krankheiten wie Erkältungen oder Grippe verursachen. Medikamente, die Viren hemmen, heißen daher antivirale oder antiretrovirale Mittel und nicht Antibiotika.

„Es ermöglicht uns, neue Sequenzen und neue Arten von Molekülen zu entdecken, die in lebenden Organismen noch nie entdeckt wurden, und eröffnet uns die Möglichkeit, umfassender über die molekulare Vielfalt nachzudenken“, sagte Dr. Cesar de la Fuente von der University of Pennsylvania (USA), der das Forschungsteam leitete. „Bakterien sind diesen neuen Molekülen bisher noch nie ausgesetzt gewesen, daher könnte dies eine gute Gelegenheit sein, mit derzeit schwer behandelbaren Krankheitserregern umzugehen.“

Experten sind der Meinung, dass dringend neue Erkenntnisse zum Problem antibiotikaresistenter Bakterien erforderlich sind. „Die Welt steht vor einer Antibiotikaresistenzkrise … Wenn wir in die Vergangenheit zurückkehren müssen, um mögliche Lösungen für die Zukunft zu finden, bin ich voll und ganz dafür“, sagte Michael Mahan, Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie an der University of California in Berkeley.

Anregungen aus „Jurassic Park“

Die meisten Antibiotika sind mikrobiellen und pilzlichen Ursprungs und wurden durch die Untersuchung von im Boden lebenden Mikroorganismen entdeckt. Doch in den letzten Jahrzehnten hat der übermäßige Einsatz von Antibiotika dazu geführt, dass Krankheitserreger Resistenzen gegen diese Antibiotika entwickelt haben.

Im letzten Jahrzehnt hat De la Fuente mithilfe rechnergestützter Methoden das Potenzial verschiedener Peptide als Alternative zu Antibiotika bewertet. Eines Tages wurde im Labor plötzlich der Blockbuster-Film „Jurassic Park“ erwähnt, was das Wissenschaftlerteam auf die Idee brachte, ausgestorbene Moleküle zu untersuchen. „Warum nicht Moleküle aus der Vergangenheit zurückbringen?“ sagte er.

Um bisher unbekannte Peptide zu finden, trainierte das Team einen KI-Algorithmus, um fragmentierte Stellen in menschlichen Proteinen zu erkennen, die möglicherweise antibakteriell wirken. Anschließend wendeten die Wissenschaftler die Methode auf öffentlich zugängliche Proteinsequenzen des modernen Menschen (Homo sapiens), des Neandertalers (Homo neanderthalensis) und des Denisova-Menschen an – einer anderen archaischen Menschenart, die eng mit dem Neandertaler verwandt ist.

Anschließend nutzte das Team die Eigenschaften früherer antibakterieller Peptide, um vorherzusagen, welche alten Peptide Bakterien am wahrscheinlichsten abtöten.

Als nächstes synthetisierte und testete das Team die 69 vielversprechendsten Peptide, um festzustellen, ob sie Bakterien abtöten könnten. Das Team wählte die sechs stärksten aus, darunter vier vom modernen Menschen, einer vom Neandertaler und einer vom Denisova-Menschen.

Das Team setzte sie Mäusen aus, die mit dem Bakterium Acinetobacter baumannii infiziert waren, einer häufigen Ursache für im Krankenhaus erworbene Infektionen beim Menschen. (Eine im Krankenhaus erworbene Infektion ist eine Infektion, die sich ein Patient während der Behandlung in einem Krankenhaus zuzieht, das bei der Aufnahme nicht anwesend war.)

Von den sechs vom Algorithmus ausgewählten Peptiden war eines von einem Neandertaler am wirksamsten bei der Bekämpfung von Krankheitserregern bei bakterieninfizierten Mäusen, sagt der Biotechnologiepionier César de la Fuente von der University of Pennsylvania. (Foto: University of Pennsylvania)

„Ich denke, einer der aufregendsten Momente war, als wir im Labor Moleküle chemisch rekonstruiert und sie dann zum ersten Mal wieder zum Leben erweckt haben. Aus wissenschaftlicher Sicht war es erstaunlich, diesen Moment mitzuerleben“, sagte De la Fuente.

In experimentellen Ergebnissen töteten die Peptide bei infizierten Mäusen, die Hautabszesse entwickelten, aktiv Bakterien ab. Bei Mäusen mit Oberschenkelinfektionen waren die Peptide weniger wirksam, verhinderten aber dennoch das Bakterienwachstum.

„Das beste Peptid war das, was wir Neanderthal 1 nennen, vom Neandertaler, und das war das Peptid, das bei Mäusen am besten funktionierte“, sagte De la Fuente.

Weitere Forschung nötig

Herr De la Fuente betonte jedoch, dass keines der Peptide „bereit für den Einsatz als Antibiotikum“ sei und vielmehr noch viele Anpassungen erforderlich seien. In einer Forschungsarbeit, deren Veröffentlichung für nächstes Jahr geplant ist, entwickelten er und seine Kollegen ein neues Deep-Learning-Modell, um die Proteinsequenzen von 208 ausgestorbenen Organismen mit detaillierten genetischen Informationen zu untersuchen.

Das Team fand mehr als 11.000 bislang unentdeckte potentielle antimikrobielle Peptide, die nur in ausgestorbenen Lebewesen vorkommen, und synthetisierte die vielversprechendsten Peptide aus dem sibirischen Wollmammut, der Stellerschen Seekuh (einem Meeressäugetier, das im 18. Jahrhundert aufgrund der Jagd in der Arktis ausgestorben ist), dem Riesenfaultier und dem Riesenhirsch (Megaloceros giganteus). Die neu entdeckten Peptide hätten bei Mäusen eine „hervorragende antiinfektiöse Wirkung“, sagte er.

Dr. Dmitry Ghilarov, Teamleiter am John Innes Centre in Großbritannien, sagte, der Engpass bei der Suche nach neuen Antibiotika liege darin, dass sie instabil und schwer zu synthetisieren seien. „Viele dieser Peptid-Antibiotika werden von der Industrie aufgrund von Problemen wie der Toxizität nicht weiterentwickelt und weiterverfolgt“, sagte Ghilarov.

Von den 10.000 vielversprechenden Verbindungen, die die Forscher identifiziert haben, haben laut einem im Mai 2021 veröffentlichten Artikel nur ein oder zwei Antibiotika die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration erhalten.

Dr. Monique van Hoek, Professorin und stellvertretende Forschungsleiterin an der School of Systems Biology der George Mason University (USA), sagte, es komme sehr selten vor, dass aus einem in der Natur vorkommenden Peptid direkt ein neues Medikament oder ein anderes Antibiotikum hervorgehe.

Die Entdeckung eines neuen Peptids wird den Forschern laut Van Hoek die Möglichkeit geben, mithilfe computergestützter Techniken das Potenzial des Peptids als neues Antibiotikum zu erforschen und zu optimieren.

Van Hoek konzentriert ihre Forschung derzeit auf ein synthetisches Peptid, das aus einem natürlichen Peptid gewonnen wird, das in Mississippi-Alligatoren vorkommt. Das Peptid wird derzeit präklinisch getestet.

Es mag zwar seltsam erscheinen, neue Antibiotika von ausgestorbenen Krokodilen oder Menschen zu beziehen, doch angesichts der Schwere der antibiotikaresistenten Bakterien sei eine solche Forschung lohnenswert, sagt Van Hoek.

Hoai Phuong (laut CNN)

Quelle: https://www.congluan.vn/chong-khang-khang-sinh-y-tuong-tu-ai-va-nguoi-neanderthal-da-tuyet-chung-post276832.html