Доісторичне майбутнє: як неандертальці допомагають винаходити антибіотики
Нова галузь науки, що отримала назву “молекулярне відродження”, допоможе впоратися з кризою інфекцій, стійких до антибіотиків.
Пам’ятаєте фільм “Парк Юрського періоду”, в якому вчені повертають динозаврів до життя? А можливо, ви чули про реальні наукові спроби відродити дронтів і мамонтів?
Незалежно від того, йдеться про динозаврів чи дронтів, відродження вимерлих видів — справа ризикована. Це проблематично як із прагматичного погляду (відроджений тиранозавр цілком може вас з’їсти), так і з етичного (уявіть, як самотньо буде першому відродженому дронтові або мамонтові).
Але що, якщо замість того, щоб повертати цілий вид, ми відродимо тільки одну крихітну частину — скажімо, молекулу?
Саме цього вдалося домогтися групі вчених біоінформатики Пенсільванського університету. Вони воскресили молекули з антибіотичними властивостями, виявлені у вимерлих організмів, зокрема, у наших близьких родичів, неандертальців і денисівців. (Неандертальці вимерли 40 тисяч років тому, а денисівці, імовірно, 15-30 тисяч років тому). Досягнення відкриває двері в чудовий новий світ “молекулярних відроджень”, що обіцяє нам появу нових ліків.
Дослідники почали зі збору даних про послідовність геномів неандертальців і денисівців, які перебувають у відкритому доступі завдяки палеонтологам, котрі ретельно збирали й аналізували стародавню ДНК з кісток і артефактів.
Потім вони провели навчання моделі штучного інтелекту, щоб зробити прогноз про те, які молекули можуть стати ефективними антибіотиками для сучасної людини. Після того як алгоритм визначив найсильніших кандидатів, дослідники відтворили біоматеріал у лабораторії й випробували на заражених мишах. Деякі з молекул ефективно борються з бактеріальними інфекціями, йдеться в новій роботі, опублікованій у журналі Cell Host & Microbe.
“Це абсолютно нове явище. Ми придумали термін “молекулярне відродження” і це перша опублікована стаття, присвячена такій темі, — каже Сезар де ла Фуенте, співавтор дослідження. – Для нас це приголомшливий момент!”
Якщо галузь молекулярного відродження, що розвивається, покаже клінічно успішні результати на людях, це може стати приголомшливим моментом і для всього світу, оскільки нам терміново потрібні хороші способи створення нових антибіотиків.
Ми вступаємо в епоху пост-антибіотиків – час, коли відомі антибіотики стають дедалі більш марними. Ця криза виникла через надмірне використання антибактеріальних препаратів під час лікування людей, тварин і сільськогосподарських культур. Бактерії пристосувалися до ліків і перетворилися на супергероїв мікросвіту, які можуть легко знищити здоров’я людини.
Поки ви читаєте цю статтю, десь від інфекції, яку антибіотики вже не можуть ефективно вилікувати, помирає людина. Якщо ми не вживемо дієвих заходів, то щорічна смертність у світі від інфекцій, стійких до впливу антибіотиків, може зрости до 10 млн осіб до 2050 року.
Великі фармацевтичні та біотехнологічні компанії не створюють нові антибіотики, необхідні для подолання кризи, оскільки на проведення досліджень і розробок потрібні довгі роки та велике фінансування. Більшість нових сполук виявляються невдалими. Навіть якщо вони успішні, віддача від них невелика: антибіотик продається не так добре, на відміну від добавок, які потрібно приймати щодня. Тому для багатьох фармацевтичних компаній просто немає фінансового стимулу. Але якщо вчені зможуть використовувати штучний інтелект, щоб збільшити швидкість відкриття нових антибіотиків, це дасть змогу змінити хід гри. Команда Сезара де ла Фуенте домоглася цього у два етапи.
Білки в наших клітинах схожі на довгі нитки. Але в певних місцях вони діляться ферментами на короткі фрагменти. Ці короткі фрагменти (пептиди) можуть мати антимікробні властивості.
Отже, команда де ла Фуенте використала модель штучного інтелекту під назвою panCleave, яка може визначити всі білки, закодовані в геномі, і передбачати місця їхнього з’єднання. Таким чином, дослідники змогли визначити пептиди в геномах неандертальців і денисівців. Потім вони проаналізували ці пептиди за допомогою інших моделей, щоб спрогнозувати, які з них матимуть антимікробні властивості.
Не всі пептиди виявилися ефективними. Під час випробування на заражених мишах деякі з пептидів, за прогнозами вчених, фаворити серед інших, не змогли знищити бактерії. Інші були ефективні, але для їх застосування були потрібні високі дози. Можна зробити висновок, що дослідникам необхідно або переглянути алгоритм прогнозування, або доопрацювати найперспективніші пептиди, зробивши їх ефективнішими.
Ще одним недоліком цього дослідження є те, що вчені не перевіряли, чи розвивається у заражених мишей стійкість до пептидів. “У майбутньому необхідно це перевірити”, – визнає де ла Фуенте, оскільки немає сенсу виробляти нові ліки лише для того, щоб наш організм незабаром виробив резистентність до них.
Але в широкому сенсі, молекулярне відродження — це “творчий підхід”, який допоможе нам подолати нинішні перешкоди у створенні ліків, вважає Джонатан Стокс, професор біохімії з Університету Макмастера, який не брав участі в дослідженні. “Я думаю, що ця методика доповнить інші зусилля з пошуку антибіотиків і допоможе нам відкрити структурно і функціонально нові антибактеріальні препарати, які подолають наявні механізми резистентності”, – вважає він.
Штучний інтелект уже використовували для пошуку антибіотиків. Наприклад, 2020 року дослідники Массачусетського технологічного інституту відкрили новий тип антибіотика, навчивши свою модель ШІ. А 2021 року дослідники IBM за кілька днів створили два нові антимікробні пептиди, навчивши ШІ на набагато ширшій базі даних усіх відомих пептидів, які існують у природі на сьогодні. Воскресіння пептидів минулих років дає ще більше можливостей.
Однак є й фундаментальні етичні питання. Відповідей на них поки що не знайдено.
Що означає воскрешати молекули з мертвих?
Відродження молекул не тягне за собою ті самі етичні проблеми, що й відродження вимерлих тварин. Наприклад, немає побоювань, що вони, як дронти або мамонти, будуть страждати в сучасному світі. Проте з філософського погляду не зовсім зрозуміло, як слід ставитися до спроб відродити молекули, яких нині немає в жодному живому організмі.
Наприклад, чи можна запатентувати вимерлі молекули? Чинне патентне законодавство говорить про те, що ніхто не може патентувати молекули, які зустрічаються в природі, але воно не враховує, чи може хтось володіти правами на відроджену молекулу, яка колись була у неандертальців. Можливо, це відкриття має вважатися надбанням усього людства, і жодна людина або компанія не повинні володіти ним.
Однак якщо патентне право зрештою прийме таку позицію, чи не буде це стримувати вчених від проведення досліджень у новітній галузі? Адже такі розробки, зрештою, можуть допомогти людям подолати кризу інфекцій, стійких до антибіотиків, яка насувається.
