Die Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien
Da laut WHO jedes Jahr weltweit fast 5 Millionen Menschen durch antibiotikaresistente Bakterien sterben, ist es äußerst dringend erforderlich, potenzielle Medikamente zur Bekämpfung dieser Situation zu finden.
Nun nutzt ein Team unter der Leitung des Biotechnologie-Pioniers César de la Fuente rechnergestützte Methoden auf Basis künstlicher Intelligenz (KI), um genetische Merkmale von ausgestorbenen Verwandten des Menschen, wie etwa den Neandertalern, zu erforschen und deren Antibiotika von vor 40.000 Jahren wiederzuentdecken.
Das Vorbild des ausgestorbenen Menschen, 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, wohingegen nicht-antibiotische antimikrobielle Mittel (wie Sulfonamide und Antiseptika) vollständig synthetisch sind.
Das Ziel beider Arten ist jedoch, Mikroorganismen abzutöten oder ihr Wachstum zu verhindern. Beide fallen unter die Kategorie der antibakteriellen Chemotherapie. Zu den antibakteriellen Mitteln zählen Antiseptika, antibakterielle Seifen und chemische Reinigungsmittel. Antibiotika hingegen sind wichtige antibakterielle Mittel, die insbesondere in der Medizin und manchmal in Tierfutter verwendet werden.
Antibiotika wirken nicht gegen Viren, die Krankheiten wie Erkältungen oder Grippe verursachen. Medikamente, die Viren hemmen, werden als antivirale Mittel oder antivirale Substanzen bezeichnet und nicht als Antibiotika.
„Dadurch können wir neue Sequenzen und neue Molekültypen entdecken, die in lebenden Organismen noch nie entdeckt wurden. Und wir können umfassender über die molekulare Vielfalt nachdenken“, 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 zufolge sind neue Erkenntnisse zum Problem antibiotikaresistenter Bakterien dringend erforderlich. „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 werden 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 Mittel entwickelt haben.
Im letzten Jahrzehnt hat De la Fuente rechnergestützte Methoden eingesetzt, um das Potenzial verschiedener Peptide als Alternativen zu Antibiotika zu bewerten. Eines Tages wurde im Labor plötzlich der Blockbuster „Jurassic Park“ erwähnt und das Wissenschaftlerteam kam auf die Idee, 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 darauf, fragmentierte Stellen in menschlichen Proteinen zu erkennen, die möglicherweise antibakterielle Wirkung haben. Anschließend wendeten die Wissenschaftler die Methode auf öffentlich verfügbare 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.
Anschließend 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, einem häufigen Erreger von im Krankenhaus erworbenen 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 erwies sich eines von einem Neandertaler als das wirksamste im Kampf gegen Krankheitserreger bei bakterieninfizierten Mäusen, sagt der Biotechnologie-Pionier 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 rekonstruierten und sie dann zum ersten Mal wieder zum Leben erweckten. „Aus wissenschaftlicher Sicht war es erstaunlich, diesen Moment mitzuerleben“, sagte De la Fuente.
Versuchsergebnisse zeigten, dass die Peptide bei infizierten Mäusen, die Hautabszesse entwickelten, aktiv Bakterien töteten. Bei Mäusen mit Oberschenkelinfektionen waren die Peptide weniger wirksam, verhinderten aber dennoch das Bakterienwachstum.
„Das beste Peptid war das, was wir Neandertaler 1 nennen, vom Neandertaler, und das war das Peptid, das bei Mäusen am besten funktionierte“, sagte De la Fuente.
Weitere Forschung nötig
Allerdings betonte De la Fuente, dass keines der Peptide „bereit für den Einsatz als Antibiotikum“ sei und vielmehr noch zahlreiche 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 erforschen.
Das Team entdeckte über 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, das Problem 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 etwa 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 ein in der Natur vorkommendes Peptid direkt zu einem neuen Medikament oder einem anderen neuen Antibiotikum führe.
Die Entdeckung eines neuen Peptids wird laut Van Hoek den Weg dafür ebnen, dass Forscher computergestützte Verfahren einsetzen können, um das Potenzial des Peptids als neues Antibiotikum zu erforschen und zu optimieren.
Van Hoek konzentriert sich derzeit in ihrer Forschung auf ein synthetisches Peptid, das aus einem natürlichen Peptid gewonnen wird, das in Mississippi-Alligatoren vorkommt. Das Peptid wird derzeit präklinisch getestet.
Zwar mag es merkwürdig erscheinen, neue Antibiotika aus ausgestorbenen Krokodilen oder Menschen zu gewinnen, doch angesichts der Schwere der antibiotikaresistenten Bakterien lohnen sich derartige Forschungen, sagt Van Hoek.
Hoai Phuong (laut CNN)
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