ИИ против бактерий

Нейросеть открыла более 800 тысяч молекул, из которых могут получиться антибиотики. Это весьма кстати: эффективность препаратов стремительно снижается

Благодаря помощи искусственного интеллекта ученым из Квинслендского технологического университета (Австралия) удалось обнаружить почти миллион антимикробных пептидов — биомолекул, которые потенциально могут стать основой для антибиотиков. Несколько десятков из этих пептидов уже доказали свою эффективность в борьбе с некоторыми бактериальными инфекциями.

Звучит многообещающе, учитывая, что поиск новых препаратов для лечения бактериальных инфекций — сегодня проблема номер один в медицине.

Колодец иссяк

Последние десятилетия человечество, безусловно, злоупотребляло возможностями антибиотиков. Мы сами назначали их себе по самому ничтожному поводу, не соблюдали режим приема. В итоге многие бактерии вполне приспособились к препаратам, которые вообще-то предназначались для их уничтожения, и выработали резистентность (устойчивость) к ним всего за несколько лет. Сегодня всё сложнее лечить инфекции, вызванные стафилококком, стрептококком и энтерококком, туберкулезной палочкой и некоторыми другими бактериями. А устойчивость патогенов продолжает распространяться с угрожающей скоростью.

— Сейчас человечество стоит перед реальной угрозой антибиотикорезистентности, — говорит микробиолог Алексей (фамилия собеседника не раскрывается из соображений безопасности. — Прим. авт.). — Штаммы выживают под действием существующих антибиотиков, при этом новых в природе давно не находили. Колодец немного иссяк. По мрачным прогнозам, лет через 15–20 будет огромное количество случаев внутрибольничных инфекций, которые невозможно будет вылечить.

Люди будут умирать не от сибирской язвы или сифилиса, а от банальной стафилококковой инфекции. Потому что новых антибиотиков нет, а к старым бактерии приспособились.

В результате спустя сто лет после открытия Флемингом пенициллина — первого в мире антибиотика — ученые констатируют, что не за горами тот день, когда существующие антибактериальные препараты окажутся бессильны,

и тогда к 2050 году смертность от инфекционных заболеваний может составить до 10 млн случаев в год.

Путем симуляции

Проблема осложняется тем, что искать новые антибиотики становится всё сложнее. Исторически эти препараты были открыты в основном благодаря метаболитам (продуктам жизнедеятельности) почвенных микроорганизмов, которые в норме предотвращают рост других бактерий в среде обитания; но оказалось, что так же они действуют и на патогенные бактерии.

Но в последние даже не годы, а десятилетия исследования природных метаболитов не дают ничего принципиально нового: ученые вновь и вновь обнаруживают одни и те же молекулы. Попытки химическим путем модифицировать как природные прототипы, так и уже известные антибиотики, получить новые варианты молекул, к которым бактерии будут чувствительны, тоже мало-помалу исчерпали себя.

Сказать, что мы познали природу и ничего нового уже не откроем, было бы неверно. Но и перебирать вручную сотни тысяч возможных вариантов молекул в надежде обнаружить новое антибактериальное вещество — тоже не выход.

Зато это вполне может делать искусственный интеллект. Машинному обучению ничего не стоит «просеять» по заданным алгоритмам хоть миллион потенциальных кандидатов на роль антибиотика и предсказать их молекулярные свойства.

Появился даже новый термин, обозначающий компьютерное моделирование биологического эксперимента: in silico, то есть путем симуляции, по аналогии с известным in vitro (в пробирке).

Этот подход позволил провести скрининг многотысячной библиотеки искусственных органических соединений. Группой исследователей под руководством Джеймса Коллинза из Массачусетского технологического института была создана нейросеть, которая перебрала все эти соединения в поисках имеющих бактерицидные свойства. В результате было обнаружено новое вещество — галицин, которое обладает активностью против возбудителей туберкулеза и колита.

И вот теперь — новая попытка «посчитать» кандидатов в антибиотики. На их роль исследователи из Квинслендского технологического университета выбрали антимикробные пептиды.

Молекулярная пуля

До поры до времени о пептидах было известно не очень много — уж слишком они малы. Кроме того, их сложно обнаружить: это коротенькая цепочка аминокислот, не имеющая четкой структуры. В организме они выполняют роль информационных носителей, передавая биологическую информацию от одной клетки другой для нормального функционирования и участвуя в регуляции разных процессов. Один из самых известных пептидов — глюкагон, который заставляет печень выделять в кровь сахар. Есть пептиды, регулирующие аппетит и сон.

Достаточно давно известны антимикробные пептиды, которые функционируют в системе врожденного иммунитета млекопитающих и защищают организм от патогенов. Со временем выяснилось, что такие пептиды, известные как дефенсины, имеются во всех группах многоклеточных организмов: и у растений, и у животных, и у насекомых, и у человека. В конце прошлого века ученые Петербургского университета обнаружили у насекомых пептиды, которые обладали антивирусными свойствами. На их основе создан препарат, которым лечат герпес.

Не так давно при анализе геномов выяснилось, что пептиды играют важную роль и в жизнедеятельности бактерий. Многие из них также обладают противомикробными функциями: ведь разным видам микробов приходится постоянно конкурировать между собой, и для борьбы с конкурентами они выделяют противомикробные вещества. Это и ранее упоминавшиеся сложные химические молекулы — антибиотики, и разнообразные пептиды.

— Антимикробные пептиды — это своего рода молекулярная пуля, которая имеет положительный заряд, а бактериальная клетка несет на своей поверхности, образованной из углеводов и полисахаридов, сильный отрицательный заряд, — объясняет микробиолог Алексей. — Таким образом, положительно заряженные пептиды притягиваются к отрицательно заряженным клеткам. Присоединившись к бактериальной поверхности, пептиды проникают в мембрану, формируя в ней множественные дырки, а в дальнейшем заполняют собой и внутриклеточное пространство. В результате мембрана разрывается, и бактериальная клетка погибает.

Поскольку бактерии не могут изменить строение своих покровов, там так или иначе будут присутствовать отрицательно заряженные углеводы.

Но в отличие от антибиотиков, выработать устойчивость к воздействию антимикробных пептидов невозможно, и резистентные к пептидам штаммы не возникают.

По словам ученого, это очень перспективное направление. От патогенов обороняются все: от человека до мух и бабочек; а теперь понятно, что и сами бактерии широко используют антимикробные пептиды — мощное оружие, от которого невозможно спрятаться.

Кандидаты в антибиотики

Таким образом, в компьютерный анализ были взяты все выявленные антимикробные пептиды, полученные из глобального микробиома человека, которые имеются в общедоступных базах данных. Разумеется, полезными с точки зрения антибактериальных возможностей могли оказаться не все.

В результате ученые получили 863 498 пептидных последовательностей, большинство из которых прежде даже не были известны. ИИ не просто идентифицировал эти пептиды, но и определил, против каких патогенов они могут быть активны. Все эти молекулы составили каталог AMPSphere и стали потенциальными кандидатами в новое поколение антибиотиков.

Результаты машинной работы ученые проверили вручную, протестировав сто пептидов против клинически значимых патогенов, — таких, как золотистый стафилококк и кишечная палочка — в лабораторных условиях. Антимикробную активность проявили 79 протестированных пептидов, что полностью совпало с прогнозом машины.

— На самом деле, функциональным может оказаться еще меньшее количество пептидов. Какие-то не сработают или будут узкоспецифичными: заклятым врагом для одной бактерии и нейтральными для других. К тому же тестирование проходит на чистых лабораторных культурах, а это не совсем соответствует тому, что происходит в реальной жизни, когда все бактерии, скажем, в кишечнике человека перемешаны и взаимодействуют друг с другом, — поясняет Алексей. — Так что большая работа еще впереди.

Где искать новые антибиотики?

Несмотря на все сложности, ученые уверены, что решения надо искать всё равно в первую очередь в природе. Всё же активность искусственно созданной молекулы антибиотика предсказать очень трудно, а природа тысячелетиями оттачивала механизмы, позволяющие организмам защищаться от «чужаков», и создавала идеальные антибиотики. Например, в организмах насекомых, которым защититься от вредных бактерий помогают другие, полезные микроорганизмы. «Продуценты антибиотиков можно найти на теле муравьев или пчелы. Например, в микробиоте муравьев были обнаружены бактерии, которые продуцировали эти самые защитные соединения», — рассказывает старший научный сотрудник химического факультета МГУ Дмитрий Лукьянов.

Другой перспективный вариант — бактериофаги. Это вирусы, которые абсолютно безвредны для человека, но являются смертельными для бактерий. Бактериофаги постоянно эволюционируют с одной целью: проникнуть в бактериальную клетку и уничтожить ее. Но идеальным лекарством им мешает стать их специфичность: для противодействия определенной бактерии надо подбирать свой генотип бактериофага, то есть потребуется перебор разнообразных комбинаций. Сработает что-то или нет — вопрос счастливого совпадения.

По словам Дмитрия Лукьянова, бактериофаги взаимодействует с белками на поверхности бактерии, которые довольно быстро мутируют. Поэтому пациентам обычно прописывают коктейли из бактериофагов, которые оказывают влияние сразу на группу белков. Всё же вероятность того, что сразу пять из них мутирует, меньше, чем вероятность того, что мутирует один конкретный.

— При этом бактериальные инфекции потенциально намного опаснее большинства вирусных, — говорит микробиолог Алексей. — А без лекарственного противодействия их частота и, соответственно, опасность для человечества быстро возрастет. К счастью, наука на стороне человека: все ключи к борьбе с инфекциями можно найти в природе, а возможности для таких поисков постоянно расширяются.