חוקרים מאוניברסיטת אוטונומה דה ברצלונה (UAB) הפיקו את המפה השלמה ביותר של האינטראקטום החיוני של החיידקים, כלומר כיצד חלבונים מתחברים ומקיימים אינטראקציה כדי לבצע פונקציות חיוניות להישרדותם. המחקר, שפורסם בכתב העת eLife, השתמשו בכלי הבינה המלאכותית AlphaFold כדי לחזות ולדגמן יותר מ-1,400 אינטראקציות. התוצאות חשפו פרטים לא ידועים בעבר של מנגנונים אלו ומציעות יעדים פוטנציאליים לפיתוח אנטיביוטיקה חדשה.
חיידקים מבצעים פונקציות רבות שהן מפתח להישרדותם, כמו ייצור האנרגיה הדרושה להם, שכפול DNA וחלוקת תאים כדי להתרבות, או סינתזה של קרום התא שלהם כדי להגן על עצמם ולתקשר עם הסביבה, בין היתר. כל התהליכים הללו כוללים קומפלקסים הדורשים פעולה מתואמת של קבוצת חלבונים חיונית: בלעדיהם, התהליכים אינם מתרחשים והחיידקים מתים. לכן, לדעת בפירוט כיצד מווסתים תהליכים בסיסיים אלו, אילו חלבונים מעורבים וכיצד הם מתקשרים היא חיונית להבנת מנגנוני הצמיחה, הרבייה וההישרדות של חיידקים.
טכניקות ניסוי שבוצעו עד כה אפשרו זיהוי של מיליוני אינטראקציות בין חלבונים ואלפי מבנים של חלבונים אלה, אך אלו הם נתונים גולמיים שנותנים מספר רב של תוצאות חיוביות שגויות; אינטראקציות שלמעשה אין להן ערך. עם מודלים של בינה מלאכותית שפותחו לאחרונה כמו AlphaFold2, ניתן היה להשיג מבני חלבון בדיוק דומה לשיטות ניסוי, ולהבדיל בין אינטראקציות חלבון-חלבון אמיתיות לבין אינטראקציות שגויות (חיוביות שגויות).
חוקרים מהמחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת אוטונומה דה ברצלונה השתמשו במודל הבינה המלאכותית AlphaFold2 כדי לחזות את מערכת האינטראקציות בין חלבון לחלבון החיוניות להישרדותם של חיידקים, בסך הכל 1,402 אינטראקציות אפשריות המרכיבות את המפה השלמה ביותר של מה שנקרא האינטראקטום החיוני של החיידקים. כל האינטראקציות הללו מרחיבות את הידע שלנו על מנגנוני הפעולה שחיידקים צריכים כדי לשרוד ומאפשרות לנו לזהות אילו אינטראקציות חלבון-חלבון עשויות להיות מטרות לפיתוח אנטיביוטיקה חדשה.
השגנו מפה של האינטראקטום החיוני של החיידקים בה נאספים כל האינטראקציות החיוניות לחיידקים לחיות ולהתרבות. אפינו באופן מבני את האינטראקציות הללו באמצעות כלים חדשים של בינה מלאכותית, במיוחד AlphaFold. אנו מאמינים שמבנים אלו מהווים אסמכתא לפיתוח אנטיביוטיקה חדשה, שכן מולקולות שיכולות לעכב את האינטראקציות הללו יתנהגו כמו אנטיביוטיקה עם מנגנוני פעולה יוצאי דופן".
מארק טורנט, מנהל המחקר, מרצה ב-UAB
פעילות חיידקית כוללת בין 4,000 ל-5,000 חלבונים. קבוצה זו נקראת הפרוטאום החיידקי, מה שמוביל לאינטראקטום שיכול לכלול עד 20 מיליון אינטראקציות אפשריות. אבל ההערכה היא שהאינטראקציות המתרחשות במין, למשל, בחיידק אי קולי, מוגבלים לכ-12,000. ולא כל האינטראקציות הללו חיוניות להישרדות החיידק.
כדי להבחין בין אינטראקציות חיוניות, חוקרים שקלו רק את אלה שבהם שני החלבונים המקיימים אינטראקציה כדי ליצור את הקומפלקס קיימים לפחות בשני מיני חיידקים שונים. בעזרת מסננים אלה ובעזרת מודל הבינה המלאכותית AlphaFold2, החוקרים השיגו קבוצה של 1,402 אינטראקציות חיוניות בין חלבון לחלבון.
כוח חיזוי מעולה של בינה מלאכותית
כדי לבדוק את האמינות של AlphaFold2, צוות המחקר השווה את התחזיות שלו עם 140 אינטראקציות חלבון-חלבון שהושגו בניסוי קודם לכן. התוצאה הייתה כוח ניבוי שהכותבים מתארים כמעולה, שכן 113 מהאינטראקציות הניסיוניות הללו (81%) נחזו על ידי ה-AI בצורה מדויקת מאוד. החוקרים מאמינים שרבים ממתחמי האינטראקציה של חלבון-חלבון שניתן למצוא במאגרי מידע ניסיוניים עלולים להיות תוצאות חיוביות שגויות.
מתחמי חלבון חיוניים חדשים שלא ידועים בעבר
החוקרים מדגישים את הגילוי, בשיטה זו, של קבוצה של אינטראקציות חלבון-חלבון שלא היו ידועות עד כה, הפועלות ב-9 תהליכים חיוניים שונים: ביוסינתזה של חומצות שומן בקרום התא, סינתזת ליפופוליסכרידים בממברנה החיצונית, הובלת שומנים, הובלת חלבון וליפופרוטאינים. בממברנה החיצונית, חלוקת תאים, שמירה על הצורה המוארכת בבצילים, שכפול DNA להתרבות חיידקים וסינתזת יוביקינון.
הבנה מפורטת של המבנה של מתחמי חלבון שהתגלו לאחרונה מספקת תובנות חדשות לגבי המנגנונים המולקולריים המעורבים בתהליכים חיידקיים חיוניים אלה וסוללת את הדרך לפיתוח של אנטיביוטיקה חדשה.
המחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת eLifeנערך על ידי מארק טורנט בורגס וג'ורדי גומז בורגו, שניהם מהמחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת אוטונומה דה ברצלונה.
