معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يستخدم الذكاء الاصطناعي التوليدي لتطوير مضادين حيويين جديدين يستهدفان السيلان المقاوم للأدوية والمكورات العنقودية الذهبية

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا استخدم باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذكاء الاصطناعي لتطوير مضادين حيويين جديدين فعالين ضد السيلان المقاوم للأدوية والمكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين، مما قد يوفر استراتيجيات جديدة لمكافحة العدوى المسؤولة عن ملايين الوفيات كل عام. 

باستخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي التوليدي، ابتكر الفريق أكثر من 36 مليون مركب محتمل، وفحصها حاسوبيًا للتحقق من نشاطها المضاد للميكروبات. وتتميّز المركبات المرشحة الواعدة ببنيتها الفريدة مقارنةً بالمضادات الحيوية الحالية، ويبدو أنها تعمل من خلال آليات غير مسبوقة تُعطّل أغشية الخلايا البكتيرية. وقد أتاحت هذه الطريقة إنتاج وتقييم مركبات جديدة كليًا، ويخطط الباحثون لتوسيع نطاق هذا النهج ليشمل... تصميم المضادات الحيوية استهداف أنواع أخرى من البكتيريا. 

إن معظم المضادات الحيوية الجديدة التي تمت الموافقة عليها خلال السنوات الخمس والأربعين الماضية هي عبارة عن أشكال مختلفة من الأدوية الموجودة، في حين تستمر مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية في الارتفاع، مما يتسبب في وفاة ما يقرب من 45 ملايين شخص سنويا. 

لمعالجة هذه المشكلة، استخدم مشروع المضادات الحيوية والذكاء الاصطناعي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الذكاء الاصطناعي لاستكشاف المركبات الموجودة والجزيئات الافتراضية الجديدة كليًا. باستخدام نماذج تعلم آلي مُدرَّبة على توقع النشاط المضاد للبكتيريا، فحص الفريق أولًا ملايين الجزيئات الكيميائية، مستبعدًا تلك التي يُحتمل أن تكون سامة أو مشابهة للمضادات الحيوية الموجودة. 

ثم قاموا بتطبيق اثنين من المولدات خوارزميات الذكاء الاصطناعى : CReM، الذي يُعدِّل الجزيئات بإضافة أو استبدال أو حذف ذرات ومجموعات، وF-VAE، الذي يُنشئ جزيئات كاملة من شظايا بناءً على أنماط كيميائية مُكتسبة. أنتجت هذه العملية، المدعومة بالذكاء الاصطناعي، ما يقارب 7 ملايين جزيء مُرشَّح، خضعت جميعها لفحص حاسوبي لنشاطها ضد بكتيريا النيسرية البنية. 

ومن هذا، تم اختيار حوالي 1,000 مركب، 80 منها كانت قابلة للتصنيع، ومركب واحد، NG1، أظهر نشاطًا قويًا ضد N. gonorrhoeae المقاومة للأدوية في كل من الدراسات المعملية والدراسات على الفئران من خلال استهداف بروتين مهم لتخليق غشاء البكتيريا، وهو ما يمثل آلية عمل جديدة.

دراسة الجولة الثانية تستخدم الذكاء الاصطناعي التوليدي لاستكشاف الفضاء الكيميائي الجديد

في دراسة متابعة، استخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي التوليدي لتصميم جزيئات جديدة كليًا تستهدف بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية موجبة الجرام. باستخدام خوارزميتي CReM وF-VAE، مكّن الفريق الذكاء الاصطناعي من توليد مركبات دون قيود على الشظايا، مسترشدًا فقط بالقواعد الكيميائية التي تحكم تركيب الذرات. 

أنتج هذا النهج القائم على الذكاء الاصطناعي أكثر من 29 مليون جزيء مرشح. ثم استخدم الفريق مرشحات حاسوبية لإزالة المركبات التي يُتوقع أن تكون سامة أو غير مستقرة أو مشابهة للمضادات الحيوية الموجودة، مما قلص المجموعة إلى حوالي 90 جزيئًا مرشحًا قابلًا للتطبيق. 

من بين الجزيئات الـ 22 التي أمكن تصنيعها واختبارها، أظهرت ستة منها نشاطًا مضادًا للبكتيريا قويًا ضد المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للأدوية المتعددة في الاختبارات المعملية. وقد نجح المركب الرائد، DN1، في القضاء على التهابات الجلد الناتجة عن المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA) في نموذج فأر. 

إن قدرة الذكاء الاصطناعي على استكشاف مساحة كيميائية واسعة بشكل مستقل مكنت من اكتشاف جزيئات ذات آليات جديدة، مما أدى إلى تعطيل الأغشية الخلوية البكتيرية على نطاق واسع بدلاً من استهداف بروتين واحد. 

تعمل شركة Phare Bio، وهي شريك غير ربحي في مشروع المضادات الحيوية والذكاء الاصطناعي، حاليًا على تحسين NG1 وDN1 لإجراء المزيد من الدراسات قبل السريرية. ويعتزم فريق البحث تطبيق منصات التصميم المدعومة بالذكاء الاصطناعي هذه على مسببات أمراض أخرى، بما في ذلك المتفطرة السلية والزائفة الزنجارية.

في حين أن مقاومة البكتيريا لا تزال تتفوق على العلاجات الحالية، فإن الدراسة توضح أن الذكاء الاصطناعي يمكنه استكشاف مناطق غير مستكشفة سابقًا في الفضاء الكيميائي، مما يوفر فرصًا لتحويل تطوير المضادات الحيوية من الاستجابات التفاعلية إلى التصميم الاستراتيجي الاستباقي.