Ισχυρό αντιβιοτικό για πρώτη φορά μέσω τεχνητής νοημοσύνης

Ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης που ανέπτυξαν ερευνητές του Πανεπιστημίου ΜΙΤ στις ΗΠΑ, βρήκε ένα ισχυρό νέο αντιβιοτικό (halicin), το οποίο μπορεί να καταστρέψει πολλά είδη βακτηρίων ανθεκτικών σε άλλα αντιβιοτικά όπως τα carbapenem.

Είναι η πρώτη φορά που η τεχνητή νοημοσύνη βρήκε εκ του μηδενός ένα νέο αντιβιοτικό και μάλιστα πανίσχυρο, ανοίγοντας νέες δυνατότητες στο πεδίο της φαρμακευτικής, καθώς κάτι ανάλογο θα μπορούσε μελλοντικά να γίνει και για άλλους είδους φάρμακα, π.χ. για νευροεκφυλιστικές παθήσεις ή για τον καρκίνο. Οι επιστήμονες αισιοδοξούν ότι το «έξυπνο» σύστημα θα μπορεί να σχεδιάσει διάφορα νέα φάρμακα, με βάση όσα έχει μάθει για τις χημικές δομές που επιτρέπουν στα φάρμακα να σκοτώνουν τα βακτήρια.

Χρησιμοποιώντας ένα νέο αλγόριθμο μηχανικής μάθησης, οι επιστήμονες και μηχανικοί, με επικεφαλής τον καθηγητή Ιατρικής Μηχανικής & Επιστήμης Τζέιμς Κόλινς και την καθηγήτρια του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Υπολογιστών Ρετζίνα Μπαρζιλάι, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό βιολογίας Cell (Κύτταρο), ανέλυσαν πολλές υποψήφιες χημικές ουσίες, βρίσκοντας τελικά μία με ισχυρές αντιβιοτικές ιδιότητες.

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχουν βρεθεί ελάχιστα νέα αντιβιοτικά και τα περισσότερα δεν είναι παρά ελαφρώς παραλλαγμένες εκδοχές προϋπαρχόντων φαρμάκων. Οι σημερινές μέθοδοι ανάπτυξης νέων αντιβιοτικών είναι πολύ δαπανηρές, χρονοβόρες και συνήθως περιορίζονται σε μια μικρή γκάμα χημικών ουσιών.

«Αντιμετωπίζουμε μια εντεινόμενη κρίση λόγω αφενός ενός αυξανόμενου αριθμού παθογόνων μικροοργανισμών που γίνονται ανθεκτικοί στα υπάρχοντα αντιβιοτικά και αφετέρου μιας αναιμικής ανακάλυψης νέων αντιβιοτικών από τις φαρμακευτικές και βιοτεχνολογικές εταιρείες. Αν δεν αντιμετωπίσουμε την κρίση έως το 2050, οι θάνατοι κάθε χρόνο λόγω λοιμώξεων από ανθεκτικά βακτήρια θα φθάσουν τα δέκα εκατομμύρια, περισσότεροι και από τους ετήσιους θανάτους από καρκίνο», δήλωσε ο Κόλινς.

Η ταυτότητα του νέου αντιβιοτικού

Η τεχνητή νοημοσύνη αποτελεί το νέο συμπαραστάτη σε αυτή την προσπάθεια, καθώς υπόσχεται να βρει τελείως νέα αντιβιοτικά, πιο γρήγορα και με πολύ χαμηλότερο κόστος. Το νέο αντιβιοτικό, το οποίο δοκιμάσθηκε στο εργαστήριο, εξόντωσε αρκετά στελέχη βακτηρίων που είναι ανθεκτικά σε όλα τα γνωστά αντιβιοτικά (Clostridium difficile, Acinetobacter baumannii, Mycobacterium tuberculosis, Enterobacteriaceae κ.α.), με εξαίρεση το ανθεκτικό βακτήριο Pseudomonas aeruginosa που πλήττει τους πνεύμονες. Επίσης «καθάρισε» μέσα σε 24 ώρες τις λοιμώξεις σε πειραματόζωα (ποντίκια) που είχαν κολλήσει Acinetobacter baumannii, ένα πολύ ανθεκτικό βακτήριο που έχει μολύνει πολλούς Αμερικανούς στρατιώτες στο Ιράκ και το Αφγανιστάν.

Ακόμη, το γνωστό E.coli διαπιστώθηκε ότι δεν αναπτύσσει ανθεκτικότητα στο νέο αντιβιοτικό μετά από θεραπεία διάρκειας 30 ημερών με αυτό. Αντίθετα, ο εν λόγω μικροοργανισμός αναπτύσσει αντίσταση π.χ. στο αντιβιοτικό σιπροφλοξασίνη της κατηγορίας των κινολονών μέσα σε μόνο μία έως τρεις μέρες.

«Αναπτύξαμε μια πλατφόρμα που μας επιτρέπει να χαλιναγωγήσουμε τη δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης, ώστε να ανοίξουμε το δρόμο για μια νέα εποχή στην ανακάλυψη νέων αντιβιοτικών. Έτσι, ανακαλύψαμε ήδη ένα εντυπωσιακό μόριο, το οποίο είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πιο ισχυρά αντιβιοτικά που έχει ποτέ ανακαλυφθεί», ανέφερε ο Κόλινς.
Πώς «εκπαιδεύτηκε» ο αλγόριθμος

Η αρχική «εκπαίδευση» του αλγόριθμου έγινε μέσω τροφοδοσίας του με περίπου 2.500 μόρια δραστικών ουσιών, εκ των οποίων τα 1.700 ήσαν φάρμακα εγκεκριμένα από την αρμόδια εποπτική αρχή των ΗΠΑ, την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων (FDA), ενώ τα υπόλοιπα 800 ήσαν φυσικά προϊόντα. Μετά την «μόρφωση» του, το «έξυπνο» σύστημα δοκιμάστηκε σε περίπου 6.000 άλλα μόρια με πιθανή αντιβιοτική δράση, τα οποία περιέχονται στη βάση δεδομένων Drug Repurposing Hub. Από αυτά -μέσα σε μερικές μόνο ώρες- η τεχνητή νοημοσύνη επέλεξε 100 υποψήφια για φυσικές δοκιμές και τελικά ένα μόριο με χημική δομή διαφορετική από κάθε γνωστό αντιβιοτικό βρέθηκε να είναι το πιο αποτελεσματικό κατά του βακτηρίου E.coli.

Η ουσία αυτή, που ονομάστηκε «halicin», παραπέμποντας στο διάσημο σύστημα τεχνητής νοημοσύνης HAL του βιβλίου και της ταινίας «2001: Οδύσσεια του Διαστήματος», είχε στο παρελθόν εξετασθεί ως πιθανό αντιδιαβητικό φάρμακο, αλλά χωρίς επιτυχία. Οι ερευνητές σκοπεύουν να κάνουν περαιτέρω δοκιμές της halicin σε συνεργασία με φαρμακευτική εταιρεία ή μη κερδοσκοπικό οργανισμό, ώστε τελικά να αναπτύξουν ένα αντιβιοτικό για χρήση στους ανθρώπους.

Επίσης το ίδιο σύστημα τεχνητής νοημοσύνης, ψάχνοντας σε μια βάση δεδομένων (ZINC15) με 107 εκατομμύρια μόρια, έφερε στο φως άλλες 23 υποψήφιες δραστικές αντιμικροβιακές ουσίες. Μετά από δοκιμές σε ζώα, οι επιστήμονες κατέληξαν σε οκτώ με αντιβακτηριακές ιδιότητες και από αυτές ιδίως δύο είναι πολλά υποσχόμενες να αποτελέσουν αντιβιοτικά, γι’ αυτό θα δοκιμασθούν περαιτέρω.