掃描電子顯微鏡照片中呈綠色的大腸桿菌圖片來源：英國《自然》雜志網(wǎng)站

人工智能“慧眼識珠”，首次獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一種強(qiáng)大的新型抗生素!

美國麻省理工學(xué)院(MIT)科學(xué)家在最新一期《細(xì)胞》雜志撰文稱，他們新研制出的一種深度學(xué)習(xí)人工智能(AI)，鑒定出一種全新抗生素。

實(shí)驗(yàn)室測試表明，這種抗生素能有效殺死多種世界上最麻煩的致病細(xì)菌，包括一些對所有已知抗生素耐藥的菌株。

在英國《自然》雜志網(wǎng)站2月20日的報(bào)道中，研究人員表示，這種名為halicin的抗生素是首個由人工智能發(fā)現(xiàn)的抗生素。盡管科學(xué)家以前曾使用AI輔助發(fā)現(xiàn)抗生素，但此次是AI首次在沒有任何人類假設(shè)的情況下，從頭發(fā)現(xiàn)全新抗生素。

美國匹茲堡大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家雅各布·杜蘭特評論道，這項(xiàng)研究非常出色，研究團(tuán)隊(duì)不僅確定了候選抗生素，還在動物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了有潛力的分子。此外，該方法還可用于發(fā)現(xiàn)治療癌癥、神經(jīng)衰退性等疾病的藥物。

無需假設(shè)

自發(fā)現(xiàn)青霉素以來，抗生素已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石，但在全球范圍內(nèi)，細(xì)菌對抗生素的耐藥性正急劇上升。《自然》雜志的報(bào)道稱，研究人員預(yù)測，如果不盡快研發(fā)新藥，預(yù)計(jì)到2050年，每年將有一千萬人因耐藥菌感染而喪生。

但在過去幾十年，新誕生的抗生素寥寥無幾，且結(jié)構(gòu)上與過去已有抗生素大同小異。此外，當(dāng)前用于篩選新抗生素的方法成本高昂，且耗費(fèi)大量時(shí)間。最新研究負(fù)責(zé)人、MIT合成生物學(xué)家吉姆·柯林斯說：“人們不斷發(fā)現(xiàn)相同的分子，我們需要具有新穎作用機(jī)理的新型化學(xué)物質(zhì)。我們希望開發(fā)一個平臺，能借助人工智能的力量，開創(chuàng)抗生素藥物發(fā)現(xiàn)新時(shí)代。”

為尋找新型抗生素，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這是一種受大腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)的AI算法，可逐個原子學(xué)習(xí)分子的結(jié)構(gòu)特性。

據(jù)MIT網(wǎng)站2月20日報(bào)道，在研究中，柯林斯團(tuán)隊(duì)使用約2500個分子來訓(xùn)練他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以發(fā)現(xiàn)能抑制大腸桿菌生長的分子。這些分子包括約1700種已獲批的藥物(其中300種獲批抗生素)以及800種來自植物、動物和微生物的天然物質(zhì)。

最新研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人、MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授雷吉娜·巴茲萊表示，該算法不需要任何藥物工作原理方面的假設(shè)，也無需對化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行標(biāo)記，就可以預(yù)測分子功能，“因此，該模型可以學(xué)到人類專家未知的新模式”。

該模型訓(xùn)練完畢后，研究人員用它篩選一個名為“藥物再利用中心”的分子庫，該分子庫包含約6000種科學(xué)家正在研究、用于治療人類疾病的分子。他們讓該模型預(yù)測哪種分子能有效抑制大腸桿菌，并僅向他們展示看起來與常規(guī)抗生素不同的分子。

從得到的結(jié)果中，研究團(tuán)隊(duì)選擇了約100個分子開展物理測試，其中一種是正研究用于治療糖尿病的分子。結(jié)果表明，它是一種具有很強(qiáng)抗菌活性的抗生素，且化學(xué)結(jié)構(gòu)與任何現(xiàn)有抗生素不同。研究人員為致敬經(jīng)典科幻片《2001太空漫游》，將該分子命名為“halicin”(電影里的人工智能系統(tǒng)名為HAL 9000)。此外，研究人員還借助使用其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)，該分子可能對人體細(xì)胞具有較低毒性。

實(shí)驗(yàn)室測試表明，除銅綠假單胞菌(一種難以治療的肺病原體)外，halicin對包括艱難梭菌、結(jié)核分枝桿菌和鮑曼不動桿菌等在內(nèi)的多種病原體具有活性。

為測試halicin在活體動物身上的功效，研究人員用其治療感染鮑曼不動桿菌的小鼠。鮑曼不動桿菌具有“超級耐藥性”，能耐受已知所有抗生素，世界衛(wèi)生組織已將其定為最需要優(yōu)先處理新抗生素的病原體之一，人類迫切需要新抗生素來對付它。

研究表明，在感染了鮑曼不動桿菌的小鼠身上，halicin再次顯現(xiàn)出神奇效果：含有halicin的軟膏在24小時(shí)內(nèi)，就徹底清除了感染。

特立獨(dú)行

抗生素通過多種機(jī)制起作用，如阻斷細(xì)胞壁生物合成、DNA修復(fù)或蛋白質(zhì)合成中涉及的酶。但halicin并不按常理出牌：它破壞質(zhì)子在細(xì)胞膜上的流動。

MIT的報(bào)道指出，初步研究表明，halicin通過破壞細(xì)菌在細(xì)胞膜上維持電化學(xué)梯度的能力來殺死細(xì)菌。此化學(xué)梯度對于產(chǎn)生ATP(細(xì)胞用來存儲能量的分子)不可或缺，因此，如果梯度破裂，細(xì)胞將凋亡。研究人員說，這種殺傷機(jī)制可能會使細(xì)菌難以產(chǎn)生抗藥性。

柯林斯說：“實(shí)驗(yàn)表明，針對抗生素環(huán)丙沙星，大腸桿菌會在1到3天內(nèi)對其表現(xiàn)出抗藥性，但即使30天后，大腸桿菌仍未對halicin產(chǎn)生任何抗藥性。”

走進(jìn)新時(shí)代

發(fā)現(xiàn)halicin后，研究小組利用該模型，對ZINC15數(shù)據(jù)庫內(nèi)的1億多種分子展開了篩查。ZINC15是一個在線數(shù)據(jù)庫，包含15億種化合物的信息。

僅三天時(shí)間，該模型就篩查出23種與現(xiàn)有抗生素結(jié)構(gòu)不同且可能對人細(xì)胞無毒的候選分子。細(xì)菌測試表明，其中8種分子擁有抗菌活性，且2種功能強(qiáng)大。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)一步測試這些分子，并繼續(xù)篩查ZINC15數(shù)據(jù)庫。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家鮑勃·墨菲說：“使用計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)和預(yù)測潛在藥物特性這一領(lǐng)域方興未艾，最新研究是一個絕佳實(shí)例。”

墨菲指出，以前已有科學(xué)家開發(fā)AI方法來挖掘龐大的基因和代謝物數(shù)據(jù)庫，以識別可能包括新抗生素的分子類型。

但柯林斯團(tuán)隊(duì)表示，他們的方法與眾不同。新模型不是在搜索特定的結(jié)構(gòu)或分子類別，而是在訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找具有特定活性的分子。

該團(tuán)隊(duì)希望與其他團(tuán)隊(duì)或公司合作，將halicin用于臨床試驗(yàn)，也計(jì)劃使用他們的模型設(shè)計(jì)新抗生素并優(yōu)化現(xiàn)有分子，例如，使特定抗生素僅殺死特定細(xì)菌，防止其殺死患者消化道中的有益細(xì)菌。

巴茲萊說：“機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以在計(jì)算機(jī)上探索大型化學(xué)空間，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法要做到這一點(diǎn)會非常昂貴。”最新研究既提高了化合物鑒定的準(zhǔn)確性，又降低了篩選工作的成本。

以色列理工學(xué)院生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授羅伊·基肖尼表示：“這項(xiàng)開創(chuàng)性研究標(biāo)志著抗生素發(fā)現(xiàn)乃至更普遍的藥物發(fā)現(xiàn)發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變，深度學(xué)習(xí)技術(shù)或可應(yīng)用于抗生素開發(fā)的所有階段——從發(fā)現(xiàn)抗生素到通過藥物修飾和藥物化學(xué)改善抗生素的功效和毒性。”

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