MIT sử dụng AI tạo sinh để phát triển hai loại kháng sinh mới nhắm mục tiêu vào bệnh lậu kháng thuốc và MRSA

Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà nghiên cứu (MIT) đã sử dụng AI để phát triển hai loại kháng sinh mới có hiệu quả chống lại bệnh lậu kháng thuốc và MRSA, có khả năng đưa ra các chiến lược mới để chống lại các bệnh nhiễm trùng gây ra hàng triệu ca tử vong mỗi năm. 

Bằng cách tận dụng các thuật toán AI tạo sinh, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hơn 36 triệu hợp chất tiềm năng và sàng lọc chúng bằng máy tính để xác định hoạt tính kháng khuẩn. Các ứng cử viên triển vọng nhất có cấu trúc độc đáo so với các loại kháng sinh hiện có và dường như hoạt động thông qua các cơ chế chưa từng thấy trước đây, phá vỡ màng tế bào vi khuẩn. Phương pháp này cho phép tạo ra và đánh giá các hợp chất hoàn toàn mới, và các nhà nghiên cứu dự định mở rộng phương pháp này sang thiết kế thuốc kháng sinh nhắm mục tiêu vào các loài vi khuẩn khác. 

Hầu hết các loại thuốc kháng sinh mới được phê duyệt trong 45 năm qua đều là biến thể của các loại thuốc hiện có, trong khi tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn tiếp tục gia tăng, gây ra gần 5 triệu ca tử vong mỗi năm. 

Để giải quyết vấn đề này, Dự án AI Kháng sinh của MIT đã sử dụng AI để khám phá cả các hợp chất hiện có và các phân tử giả định hoàn toàn mới. Sử dụng các mô hình học máy được đào tạo để dự đoán hoạt động kháng khuẩn, nhóm nghiên cứu trước tiên đã sàng lọc hàng triệu phân tử hóa học, loại bỏ những phân tử có khả năng gây độc hoặc tương tự như các loại kháng sinh hiện có. 

Sau đó, họ áp dụng hai phương pháp sinh sản Thuật toán AI : CReM, phương pháp biến đổi phân tử bằng cách thêm, thay thế hoặc xóa các nguyên tử và nhóm, và F-VAE, phương pháp xây dựng các phân tử hoàn chỉnh từ các mảnh vỡ dựa trên các mẫu hóa học đã học. Quy trình do AI điều khiển này đã tạo ra khoảng 7 triệu phân tử ứng viên, được sàng lọc bằng máy tính để xác định hoạt tính chống lại vi khuẩn N. gonorrhoeae. 

Từ đó, khoảng 1,000 hợp chất đã được chọn lọc, 80 hợp chất có khả năng tổng hợp và một hợp chất, NG1, đã chứng minh hoạt tính mạnh chống lại vi khuẩn N. gonorrhoeae kháng thuốc trong cả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trên chuột bằng cách nhắm vào một loại protein quan trọng cho quá trình tổng hợp màng vi khuẩn, đại diện cho cơ chế hoạt động mới.

Nghiên cứu vòng hai sử dụng AI tạo sinh để khám phá không gian hóa học mới

Trong một nghiên cứu tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tận dụng AI tạo sinh để thiết kế các phân tử hoàn toàn mới nhắm vào vi khuẩn Gram dương S. aureus. Sử dụng thuật toán CReM và F-VAE, nhóm nghiên cứu cho phép AI tạo ra các hợp chất mà không bị ràng buộc bởi các đoạn, chỉ dựa trên các quy tắc hóa học chi phối sự kết hợp nguyên tử. 

Phương pháp tiếp cận dựa trên AI này đã tạo ra hơn 29 triệu phân tử ứng viên. Sau đó, nhóm nghiên cứu áp dụng các bộ lọc tính toán để loại bỏ các hợp chất được dự đoán là độc hại, không ổn định hoặc tương tự như kháng sinh hiện có, thu hẹp danh sách xuống còn khoảng 90 ứng viên khả thi. 

Trong số 22 phân tử có thể được tổng hợp và thử nghiệm, sáu phân tử đã thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ chống lại tụ cầu vàng kháng nhiều loại thuốc trong các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hợp chất hàng đầu, DN1, đã loại bỏ thành công nhiễm trùng da do MRSA trên mô hình chuột. 

Khả năng tự động khám phá không gian hóa học rộng lớn của AI đã giúp phát hiện ra các phân tử có cơ chế mới, phá vỡ màng tế bào vi khuẩn một cách rộng rãi thay vì nhắm vào một loại protein duy nhất. 

Phare Bio, một đối tác phi lợi nhuận trong Dự án Kháng sinh-AI, hiện đang tối ưu hóa NG1 và DN1 cho các nghiên cứu tiền lâm sàng tiếp theo. Nhóm nghiên cứu dự định áp dụng các nền tảng thiết kế do AI điều khiển này cho các tác nhân gây bệnh khác, bao gồm Mycobacterium tuberculosis và Pseudomonas aeruginosa.

Trong khi tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn tiếp tục vượt xa các phương pháp điều trị hiện có, nghiên cứu chứng minh rằng AI có thể khám phá các lĩnh vực chưa được khám phá trước đây của không gian hóa học, mang đến cơ hội chuyển đổi quá trình phát triển kháng sinh từ phản ứng thụ động sang thiết kế chủ động, mang tính chiến lược.