הם שרדו במשך מיליארדי שנים בחומצה רותחת, פתחי אוורור בים עמוק ודירות מלח. כעת, כמה מצורות החיים העתיקות ביותר של כדור הארץ – מיקרובים שנקראים ארכאה – מציעים נשק חדש במאבק נגד אחד האיומים הבריאותיים הדחופים ביותר של ימינו: התנגדות לאנטיביוטיקה.
במחקר חדש שפורסם ב מיקרוביולוגיה טבעיתחוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה השתמשו בבינה מלאכותית כדי לזהות תרכובות שלא היו ידועות בעבר בארכאה שיכולות לתדלק את פיתוח האנטיביוטיקה מהדור הבא.
"המאמצים הקודמים למצוא אנטיביוטיקה חדשה התבוננו בעיקר בפטריות, חיידקים ובעלי חיים", אומר ססאר דה לה פואנטה, פרופסור חבר לנשיאות בהנדסה ביולוגית ובהנדסה כימית וביומולקולרית באוניברסיטת הפסיכולוגיה ובסרטו של פנסילבניה ובמחוז בכימיה בכימיה בכימיה בכימיה בכימיה בכימיה בכימיה בכימיה ובמיקרוביאניה בכימיה בכימיה בכימיה ובפסיכולוגיה בכימיה ובמיקרובמן ובמיקרובין לכימיה ובמיקרובמן וב- Microbmanie in Mediatmanicmantman, מדעים, והסופר הבכיר של העיתון.
בעבר, המעבדה של דה לה פואנטה השתמשה במודלים של AI כדי לזהות מועמדים אנטיביוטיים במגוון מקורות לא סבירים, החל מ- DNA של אורגניזמים שנכחדו ועד הכימיקלים בארס בעלי החיים. כעת, הם מיישמים כלים אלה על מערך נתונים חדש: חלבונים של מאות חיידקים קדומים. "יש תחום חיים אחר לגמרי שמחכה להיחקר", אומר דה לה פואנטה.
חקר גבול מיקרוביאלי
ארכאה תופסת את ענף משלהם על עץ החיים.
אף על פי שהם דומים לחיידקים תחת מיקרוסקופ, ארכאאה נבדלים זה מזה בגנטיקה שלהם, ממברנות התא ובביוכימיה. הבדלים אלה מאפשרים להם לשרוד בכמה מהסביבות הקיצוניות ביותר של כדור הארץ, החל מפתיחות תת -ימי מחוממות -על ועד שלפוחית מעיינות חמים כמו אלה בפארק הלאומי ילוסטון.
מכיוון שלעתים קרובות ארכיאאה משגשגת במקום בו מעט אורגניזמים אחרים יכולים – להתמיד בלחצים מוחצים, כימיקלים רעילים וטמפרטורות קיצוניות – הביולוגיה שלהם התפתחה בדרכים חריגות. זה הופך אותם למקור מבטיח אך ברובו בלתי מנוצל של כלים מולקולריים חדשים, כולל תרכובות שעשויות לתפקד כמו אנטיביוטיקה אך פועלות באופן שונה מאלו הנמצאים כיום.
"נמשכנו לארכאה מכיוון שהם נאלצו להתפתח הגנות ביוכימיות בסביבות לא שגרתיות", אומר מרסלו טורס, עמית מחקר במעבדה של דה לה פואנטה ובסופר הראשון של העיתון. "חשבנו, אם הם שרדו במשך מיליארדי שנים בתנאים אלה, אולי הם פיתחו דרכים ייחודיות להילחם במתחרים מיקרוביאליים, ואולי נוכל ללמוד מזה."
ציד אחר אנטיביוטיקה עם AI
כדי לחשוף תרכובות אנטיביוטיות פוטנציאליות שהוסתרו בארכיאה, החוקרים פנו לבינה מלאכותית. הצוות מינף גרסה מעודכנת של Apex, כלי AI שהמעבדה של דה לה פואנטה התפתחה במקור כדי לזהות מועמדים אנטיביוטיים בביולוגיה עתיקה, כולל בחלבונים של בעלי חיים שנכחדו כמו הממותה הצמרנית.
לאחר שראיתי אלפי פפטידים – שרשראות קצרות של חומצות אמינו – עם תכונות אנטי -מיקרוביאליות ידועות, איפקס יכול לחזות את הסבירות כי לרצף נתון של חומצות אמינו יהיו השפעות דומות.
על ידי הסבה הסבה איפקט 1.1 על אלפי פפטידים נוספים ומידע על חיידקים הגורמים למחלות בבני אדם, החוקרים הכינו את הכלי לחזות אילו פפטידים בארכיאה עשויים לעכב את צמיחת החיידקים.
סריקת 233 מינים של ארכאה הניבה יותר מ 12,000 מועמדים אנטיביוטיים. החוקרים כונו מולקולות אלה "ארכיאנים", אשר ניתוח כימי חשף שונה מפפטידים אנטי -מיקרוביאליים ידועים (AMPs), בפרט בהפצת המטען החשמלי שלהם.
לאחר מכן בחרו החוקרים 80 ארכיאנים לבדיקת חיידקים בפועל. "לנסות למצוא אנטיביוטיקה חדשה מולקולה אחת בכל פעם זה כמו לחפש מחטים בערימת שחת", אומר פאנגינג וואן, עמית פוסט-דוקטורט במעבדה של דה לה פואנטה והסופר הראשון של העיתון. "AI מזרז את התהליך על ידי זיהוי היכן ככל הנראה המחטים יהיו."
בשווה לאנטיביוטיקה קיימת
אנטיביוטיקה עובדת במספר דרכים. חלק מהחורים אגרופים בממברנות חיידקים, בעוד שאחרים מכבים את יכולתם של האורגניזמים לייצר חלבונים. החוקרים מצאו כי בניגוד למגברים הידועים ביותר, התוקפים את ההגנות החיצוניות של החיידק, נראה כי ארכיאנים מושכים את התקע מבפנים, ומטלטל את האותות החשמליים המחזיקים את התא בחיים.
בבדיקות כנגד מגוון חיידקים העמידים למחלות, עמידים לתרופות, 93% מתוך 80 הארכיאנים שנסקרו הראו פעילות אנטי-מיקרוביאלית כנגד לפחות חיידק אחד. לאחר מכן החוקרים בחרו בשלושה ארכיאנים לבדיקה במודלים של בעלי חיים.
ארבעה ימים לאחר מנה יחידה, הארכיאנים עצרו כולם את התפשטותו של חיידק עמיד לתרופות שנרכש לעתים קרובות בבתי חולים. אחת משלושת התרכובות הדגימה פעילות הדומה לפולימיקסין B, אנטיביוטיקה המשמשת בדרך כלל כקו אחרון של הגנה מפני זיהומים עמידים לתרופות.
מחקר זה מראה כי ישנם פוטנציאל אנטיביוטיקה רבים הממתינים להתגלות בארכיאה. עם יותר ויותר חיידקים המפתחים עמידות לאנטיביוטיקה קיימת, חשוב למצוא אנטיביוטיקה חדשה במקומות לא שגרתיים שיחליפו אותם. "
ססאר דה לה פואנטה, פרופסור חבר לנשיאות בהנדסה ביולוגית ובהנדסה כימית וביומולקולרית באוניברסיטת בית הספר להנדסה ומדע יישומי באוניברסיטת פנסילבניה
לימודים עתידיים
בשלב הבא, החוקרים מתכננים לשפר עוד יותר את האפקס כך שתוכל לחזות מועמדים אנטיביוטיים על סמך מבנהם, ועלולים לשפר את דיוקו של הכלי. החוקרים גם מקווים להבין טוב יותר את היעילות והבטיחות לטווח הארוך של ארכיאנים, במטרה של יום אחד להביא אותם לניסויים קליניים אנושיים.
"זו רק ההתחלה", אומר דה לה פואנטה. "Archaea הוא אחת הצורות העתיקות ביותר של החיים, וברור שיש לה הרבה מה ללמד אותנו כיצד להערים על הפתוגנים שעומדים בפנינו כיום."
