Угроза появления бактерий, устойчивых к антибиотикам
По данным ВОЗ, поскольку ежегодно в мире умирает около 5 миллионов человек из-за бактерий, устойчивых к антибиотикам, необходимость поиска потенциальных лекарств для решения этой проблемы становится крайне острой.
Теперь группа под руководством пионера биотехнологий Сесара де ла Фуэнте использует вычислительные методы на основе искусственного интеллекта (ИИ) для извлечения генетических признаков у вымерших родственников человека, таких как неандертальцы, чтобы вернуть их антибиотики, существовавшие 40 000 лет назад.
Модель вымершего человека — неандертальца. Фото: Гетти
В ходе исследований ученые обнаружили ряд небольших белковых или пептидных молекул, обладающих способностью бороться с бактериями, что может открыть путь к созданию новых препаратов для борьбы с инфекциями у людей.
Антибиотики (например, пенициллин) — это те, которые вырабатываются естественным путем (другим антимикробным микроорганизмом), тогда как неантибиотические противомикробные препараты (например, сульфаниламиды и антисептики) — это те, которые являются полностью синтетическими.
Однако оба типа имеют одну и ту же цель — уничтожение или предотвращение роста микроорганизмов, и оба относятся к категории антибактериальной химиотерапии. К антибактериальным средствам относятся антисептики, антибактериальные мыла, химические моющие средства; Хотя антибиотики являются важными антибактериальными средствами, их чаще всего используют в медицине, а иногда и в кормах для животных.
Антибиотики не действуют против вирусов, вызывающих такие заболевания, как простуда или грипп. Препараты, которые подавляют вирусы, называются противовирусными или противовирусными средствами, а не антибиотиками.
«Это позволяет нам открывать новые последовательности, новые типы молекул, которые никогда не были обнаружены в живых организмах, что открывает нам возможность более широко мыслить о молекулярном разнообразии», — сказал доктор Сезар де ла Фуэнте из Пенсильванского университета (США), возглавлявший исследовательскую группу. «Сегодня бактерии никогда не подвергались воздействию этих новых молекул, поэтому это может стать хорошей возможностью для борьбы с патогенами, которые в настоящее время трудно поддаются лечению».
Эксперты утверждают, что срочно необходимы новые данные по проблеме бактерий, устойчивых к антибиотикам. «Мир столкнулся с кризисом устойчивости к антибиотикам... Если нам нужно вернуться в прошлое, чтобы найти потенциальные решения для будущего, я полностью за», — сказал Майкл Махан, профессор молекулярной, клеточной и онтогенетической биологии Калифорнийского университета в Беркли.
Предложения из «Парка Юрского периода»
Большинство антибиотиков имеют микробное и грибковое происхождение и были обнаружены путем скрининга микроорганизмов, обитающих в почве. Однако в последние десятилетия чрезмерное использование антибиотиков привело к тому, что у патогенов выработалась устойчивость к ним.
За последнее десятилетие Де ла Фуэнте использовал вычислительные методы для оценки потенциала различных пептидов в качестве альтернатив антибиотикам. Однажды в лаборатории внезапно прозвучало упоминание о блокбастере «Парк Юрского периода», что натолкнуло группу ученых на мысль изучить вымершие молекулы. «Почему бы не вернуть молекулы из прошлого?» — сказал он.
Чтобы найти ранее неизвестные пептиды, команда обучила алгоритм искусственного интеллекта распознавать фрагментированные участки в человеческих белках, которые могут обладать антибактериальной активностью. Затем ученые применили его к общедоступным последовательностям белков современных людей (Homo sapiens), неандертальцев (Homo neanderthalensis) и денисовцев — еще одного архаичного вида людей, тесно связанного с неандертальцами.
Затем группа использовала свойства предыдущих антибактериальных пептидов, чтобы предсказать, какие древние пептиды с наибольшей вероятностью убивают бактерии.
Затем группа синтезировала и протестировала 69 наиболее перспективных пептидов, чтобы проверить, могут ли они убивать бактерии. Команда отобрала шесть самых сильных, включая четырех от современных людей, одного от неандертальцев и одного от денисовцев.
Команда подвергла их воздействию мышей, инфицированных бактерией Acinetobacter baumannii — распространенной причиной внутрибольничных инфекций у людей. (Внутрибольничная инфекция — это инфекция, которую пациент приобретает во время лечения в больнице, где он не присутствовал при поступлении.)
По словам пионера биотехнологии Сезара де ла Фуэнте из Пенсильванского университета, из шести пептидов, выбранных алгоритмом, один из неандертальцев оказался наиболее эффективным в борьбе с патогенами у мышей, инфицированных бактериями. (Фото: Пенсильванский университет)
«Я думаю, одним из самых захватывающих моментов был тот, когда мы химически восстановили молекулы в лаборатории, а затем впервые вернули их к жизни. «С научной точки зрения было удивительно стать свидетелем этого момента», — сказал Де ла Фуэнте.
В экспериментальных результатах у инфицированных мышей, у которых развились абсцессы кожи, пептиды активно убивали бактерии; У мышей с инфекциями бедра пептиды были менее эффективны, но все же предотвращали рост бактерий.
«Лучшим пептидом оказался тот, который мы называем Neanderthal 1, полученный от неандертальцев, и именно он лучше всего показал себя на мышах», — сказал Де ла Фуэнте.
Необходимы дополнительные исследования
Однако г-н Де ла Фуэнте подчеркнул, что ни один из пептидов не «готов к использованию в качестве антибиотиков» и потребует значительной доработки. В исследовании, публикация которого запланирована на следующий год, он и его коллеги разработали новую модель глубокого обучения для изучения последовательностей белков 208 вымерших организмов с подробной генетической информацией.
Группа обнаружила более 11 000 ранее неизвестных потенциальных антимикробных пептидов, встречающихся только у вымерших животных, и синтезировала наиболее перспективные пептиды из сибирского шерстистого мамонта, морской коровы Стеллера (морского млекопитающего, вымершего в XVIII веке из-за охоты в Арктике), гигантского ленивца и гигантского ирландского лося (Megaloceros giganteus). По его словам, недавно обнаруженные пептиды обладают «превосходной противоинфекционной активностью» у мышей.
Доктор Дмитрий Гиляров, руководитель группы в Центре Джона Иннеса в Великобритании, отметил, что узким местом в поиске новых антибиотиков является их нестабильная природа и сложность их синтеза. «Многие из этих пептидных антибиотиков не разрабатываются и не используются промышленностью из-за таких проблем, как токсичность», — сказал Гиляров.
Согласно статье, опубликованной в мае 2021 года, из 10 000 перспективных соединений, выявленных исследователями, только один или два антибиотика получили одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США.
Доктор Моник ван Хук, профессор и заместитель директора по исследованиям Школы системной биологии Университета Джорджа Мейсона (США), отметила, что случаи, когда пептид, встречающийся в природе, напрямую приводит к созданию нового лекарства или другого нового антибиотика, случаются крайне редко.
По словам Ван Хука, открытие нового пептида подготовит почву для исследователей к использованию вычислительных методов для изучения и оптимизации потенциала пептида как нового антибиотика.
В настоящее время Ван Хук сосредоточила свои исследования на синтетическом пептиде, полученном из природного пептида, обнаруженного у американских аллигаторов. В настоящее время пептид проходит доклинические испытания.
По словам Ван Хука, хотя получение новых антибиотиков от вымерших крокодилов или людей может показаться странным, серьезность проблемы устойчивости бактерий к антибиотикам делает такие исследования оправданными.
Хоай Фыонг (по данным CNN)
Источник
Комментарий (0)