Доисторическое будущее: как неандертальцы помогают изобретать антибиотики

Помните фильм «Парк Юрского периода», в котором ученые возвращают динозавров к жизни? А может быть, вы слышали о реальных научных попытках возродить дронтов и мамонтов?

Независимо от того, идет ли речь о динозаврах или дронтах, возрождение вымерших видов — дело рискованное. Это проблематично как с прагматической точки зрения (возрожденный тираннозавр вполне может вас съесть), так и с этической (представьте, как одиноко будет первому воскрешенному дронту или мамонту).

Но что, если вместо того, чтобы возвращать целый вид, мы возродим только одну крошечную часть — скажем, молекулу?

Именно этого удалось добиться группе ученых биоинформатики Пенсильванского университета. Они воскресили молекулы с антибиотическими свойствами, обнаруженные у вымерших организмов, в частности, у наших близких родственников, неандертальцев и денисовцев. (Неандертальцы вымерли 40 тысяч лет назад, а денисовцы, предположительно, 15-30 тысяч лет назад). Достижение открывает двери в дивный новый мир «молекулярных возрождений», что сулит нам появление новых лекарств.

Исследователи начали со сбора данных о последовательности геномов неандертальцев и денисовцев, которые находятся в открытом доступе благодаря палеонтологам, кропотливо собиравшим и анализировавшим древнюю ДНК из костей и артефактов.

Затем они провели обучение модели искусственного интеллекта, чтобы сделать прогноз о том, какие молекулы могут стать эффективными антибиотиками для современного человека. После того как алгоритм определил наиболее сильных кандидатов, исследователи воссоздали биоматериал  в лаборатории и испытали на зараженных мышах. Некоторые из молекул эффективно борются с бактериальными инфекциями, говорится в новой работе, опубликованной в журнале Cell Host & Microbe.

«Это совершенно новое явление. Мы придумали термин «молекулярное возрождение» и это первая опубликованная статья, посвященная подобной теме, — говорит Сезар де ла Фуэнте, соавтор исследования. — Для нас это потрясающий момент!»

Если развивающаяся область молекулярного возрождения покажет клинически успешные результаты на людях, это может стать потрясающим моментом и для всего мира, поскольку нам срочно нужны хорошие способы создания новых антибиотиков.

Мы вступаем в эпоху пост-антибиотиков — время, когда известные антибиотики становятся все более бесполезными. Этот кризис возник из-за чрезмерного использования антибактериальных препаратов при лечении людей, животных и сельскохозяйственных культур. Бактерии приспособились к лекарствам и превратились в супергероев микромира, которые могут легко уничтожить здоровье человека.

Пока вы читаете эту статью, где-то от инфекции, которую антибиотики уже не могут эффективно вылечить, умирает человек. Если мы не предпримем действенные меры, то ежегодная смертность в мире от инфекций, устойчивых к воздействию антибиотиков, может возрасти до 10 млн. человек к 2050 году.

Крупные фармацевтические и биотехнологические компании не создают новые антибиотики, необходимые для преодоления кризиса, поскольку на проведение исследований и разработок требуются долгие годы и большое финансирование. Большинство новых соединений оказываются неудачными. Даже если они успешны, отдача от них невелика: антибиотик продается не так хорошо, в отличие от добавок, которые нужно принимать ежедневно. Поэтому для многих фармацевтических компаний просто нет финансового стимула. Но если ученые смогут использовать искусственный интеллект, чтобы увеличить скорость открытия новых антибиотиков, это позволит изменить ход игры. Команда Сезара де ла Фуэнте добилась этого в два этапа.

Белки в наших клетках похожи на длинные нити. Но в определенных местах они делятся ферментами на короткие фрагменты. Эти короткие фрагменты (пептиды) могут обладать антимикробными свойствами.

Итак, команда де ла Фуэнте использовала модель искусственного интеллекта под названием panCleave, которая может определить все белки, закодированные в геноме, и предсказывать места их соединения. Таким образом, исследователи смогли определить пептиды в геномах неандертальцев и денисовцев. Затем они проанализировали эти пептиды с помощью других моделей, чтобы спрогнозировать, какие из них будут обладать антимикробными свойствами.

Не все пептиды оказались эффективными. При испытании на зараженных мышах некоторые из пептидов, по прогнозам ученых, фавориты среди прочих, не смогли уничтожить бактерии. Другие были эффективны, но для их применения требовались высокие дозы. Можно сделать вывод, что исследователям необходимо либо пересмотреть алгоритм прогнозирования, либо доработать наиболее перспективные пептиды, сделав их более эффективными.

Еще одним недостатком данного исследования является то, что ученые не проверяли, развивается ли у зараженных мышей устойчивость к пептидам. «В будущем необходимо это проверить», — признает де ла Фуэнте, поскольку нет смысла производить новое лекарство лишь для того, чтобы наш организм вскоре выработал резистентность к нему.

Но в широком смысле, молекулярное возрождение — это «творческий подход», который поможет нам преодолеть нынешние препятствия в создании лекарств, считает Джонатан Стокс, профессор биохимии из Университета Макмастера, не принимавший участия в исследовании. «Я думаю, что эта методика дополнит другие усилия по поиску антибиотиков и поможет нам открыть структурно и функционально новые антибактериальные препараты, которые преодолеют существующие механизмы резистентности», — считает он.

Искусственный интеллект уже использовали для поиска антибиотиков. Например, в 2020 году исследователи Массачусетского технологического института открыли новый тип антибиотика, обучив свою модель ИИ. А в 2021 году исследователи IBM за несколько дней создали два новых антимикробных пептида, обучив ИИ на гораздо более широкой базе данных всех известных пептидов, существующих в природе на сегодняшний день. Воскрешение пептидов прошлых лет дает еще больше возможностей. 

Однако есть и фундаментальные этические вопросы. Ответы на них пока не найдены.

Что значит воскрешать молекулы из мертвых?

Возрождение молекул не влечет за собой те же этические проблемы, что и возрождение вымерших животных. Например, нет опасений, что они, как дронты или мамонты, будут страдать в современном мире. Тем не менее с философской точки зрения не совсем понятно, как следует относиться к попыткам возродить молекулы, которых в настоящее время нет ни в одном живом организме.

Например, можно ли запатентовать вымершие молекулы? Существующее патентное законодательство говорит о том, что никто не может патентовать молекулы, встречающиеся в природе, но оно не учитывает, может ли кто-то владеть правами на возрожденную молекулу, которая когда-то была у неандертальцев. Возможно, это открытие должно считаться достоянием всего человечества, и ни один человек или компания не должны владеть им.

Однако если патентное право в конечном счете примет такую позицию, не будет ли это сдерживать ученых от проведения исследований в новейшей области? Ведь такие разработки, в конечном счете, могут помочь людям преодолеть надвигающийся кризис инфекций, устойчивых к антибиотикам.

Источник