Искусственный интеллект помог разработать новые препараты от устойчивых к антибиотикам бактерий
При помощи методов машинного обучения российским ученым удалось разработать ряд пептидных соединений с выраженной антибактериальной активностью. Полученные данные позволят создавать лекарственные препараты для лечения тяжелых заболеваний, вызванных устойчивыми к антибиотикам инфекциями. Результаты исследования, проведенного при поддержке Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Antibiotics.
В последние десятилетия человечество столкнулось с глобальной проблемой устойчивости патогенов к противомикробным препаратам. Пандемия COVID-19 тоже вносит свой вклад. Согласно недавним исследованиям, не более 7% пациентов с коронавирусом имеют бактериальную ко-инфекцию и, соответственно, нуждаются в антибиотиках, однако на деле получают эти препараты более 70%. Часто такое назначение — перестраховка, когда состояние пациента тяжелое и нет времени проводить долгие микробиологические исследования. В результате широкого применения антибиотиков не только в медицине, но и в сельском хозяйстве срабатывает естественный отбор: выживают микроорганизмы, которые смогли развить защитные механизмы против лекарств.
Заставить всех врачей выписывать меньше антибиотиков невозможно, так что наиболее эффективным решением проблемы является разработка новых лекарств. Это очень дорогое предприятие, которое все из-за той же резистентности может не окупиться. Поэтому необходимо искать соединения, к которым бактерии не вырабатывают устойчивость или формируют ее не быстрее, чем за 20–30 лет. Возможно, тогда создание новых антибиотиков станет привлекательным для инвестиций.
К вопросу также можно подойти со стороны эволюции: на протяжении миллионов лет живые организмы контактировали с патогенами и научились им противостоять. Один из древнейших механизмов врожденного иммунитета основан на антимикробных пептидах, которых сейчас известно более трех тысяч. Эти молекулы способны бороться с патогенами разных классов и даже опухолями. В случае бактерий они, в отличие от антибиотиков, взаимодействуют не с какой-либо белковой мишенью, чьи гены могут мутировать, а напрямую разрушают клеточную стенку. Такие системы можно сочетать с антибиотиками и повышать действенность терапии за счет синергического эффекта.
«Против антимикробных пептидов у микроорганизмов нет защиты, а значит, они являются перспективной основой для препаратов нового поколения. Вместе с тем синтезировать их дорого, а еще они быстро разрушаются ферментами организма. Мы решили попробовать создать совершенно новые пептиды, подобные природным, но более устойчивые и, возможно, более эффективные», — рассказывает Альберт Болатчиев, автор работы, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат медицинских наук, сотрудник Ставропольского государственного медицинского университета.
Сотрудники Ставропольского государственного медицинского университета (Ставрополь) применили нейросети и искусственный интеллект, чтобы на основе природных антимикробных пептидов разработать синтетический. Эти молекулы представляют собой аминокислотную цепочку — авторы «прочитали» более 3 000 таких цепочек, — а затем выявили в них закономерности. На основе последних нейросеть сгенерировала 200 новых уникальных пептидов, однако синтезировать все их для эксперимента слишком сложно и дорого, поэтому авторы продолжили компьютерные расчеты.
На следующем этапе они изучили найденные последовательности при помощи программ для биоинформатического скрининга. Эти системы предсказывают потенциальную активность пептидов в отношении различных микроорганизмов, анализируя физико-химические и прочие свойства молекул. Такой жесткий отбор прошли только пять антимикробных пептидов, и именно их проверили на культурах супер-бактерий — антибиотикоустойчивых штаммов клебсиеллы и синегнойной палочки, вызывающих разнообразные инфекции, в том числе и внутрибольничные.
Результаты исследований «в пробирке» показали, что из пяти только два соединения вызывали полную гибель микроорганизмов. Их и еще один из «нерабочих» пептидов проверили на мышах, зараженных летальной дозой клебсиеллы, также была контрольная группа без лечения. В последней все животные погибли на третий день, а вот синтезированные молекулы показали неожиданные результаты. Лишь один из пептидов, показавших активность в культуре, сработал на мышах, повысив их выживаемость до 50%, а вот совершенно «нерабочий» и вовсе — до 70%. Вероятно, в основе такого феномена лежат пока неизвестные взаимодействия с другими молекулами и путями в организме, которые только предстоит раскрыть.
«Лично для меня самое удивительное в наших результатах то, что наука достигла такого уровня прогресса: искусственный интеллект может создавать новые фармакологически активные соединения! В нашем случае нейросеть сгенерировала уникальные вещества с выраженной антибактериальной активностью. Мы считаем, что данный метод можно применить и для разработки других соединений пептидной природы, а потому поставили перед собой амбициозную задачу — коммерциализировать технологию. Мы будем подаваться в государственные фонды, например в «Сколково», с целью привлечения инвестиций для запуска стартапа. Уверен, что как раз сейчас самое подходящее время для этого», — отмечает Альберт Болатчиев.
