可殺死超級耐藥菌！人工智能找到全新抗生素

今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志刊登了一篇來自麻省理工學(xué)院(MIT)的研究論文。科學(xué)家們通過一種深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，讓人工智能“慧眼識(shí)珠”，發(fā)現(xiàn)了一種潛在糖尿病藥物的抗菌潛力。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，這種全新的抗生素能有效殺死一種對已知所有抗生素都耐藥的超級細(xì)菌。這一重磅發(fā)現(xiàn)也登上了當(dāng)期《細(xì)胞》雜志的封面。

Image credit： Amanda Cicero， Luca Vallescura， Darryl “Moose” Norris， and Chris Sinclair

科學(xué)家們是怎么想到用人工智能來尋找新型抗生素的呢?在論文的開頭，他們介紹說自青霉素誕生以來，抗生素已經(jīng)成為了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石之一。然而隨著抗生素的濫用，越來越多的細(xì)菌對抗生素產(chǎn)生了耐藥性。不幸的是，過去許多抗生素都來自于土壤中的微生物，用開發(fā)傳統(tǒng)藥物的方式來開發(fā)抗生素并不容易。這也就不難理解，為何在過去的幾十年里，誕生的新型抗生素寥寥無幾，且結(jié)構(gòu)上與過去已有的抗生素大同小異。

為了改變這一困境，研究人員們開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)的模型。具體來看，這種模型能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)不同藥物分子里的結(jié)構(gòu)，不但可以掌握這些分子的不同位置是否存在特定的化學(xué)基團(tuán)，還能夠預(yù)測這些分子的特性。

▲本研究的圖示(圖片來源：參考資料[1])

隨后，研究人員們給這種模型提供了2335個(gè)用于“學(xué)習(xí)”的不同分子，這些分子中有美國FDA已經(jīng)批準(zhǔn)的藥物，也有不少具有廣泛生物活性的天然分子。研究人員們希望在訓(xùn)練之后，這種模型能夠?qū)W會(huì)識(shí)別能有效殺死大腸桿菌的藥物。

訓(xùn)練完畢后，是檢驗(yàn)這套機(jī)器學(xué)習(xí)模型學(xué)習(xí)能力的時(shí)候了。研究人員們使用Broad研究所的一個(gè)化合物庫，讓這套模型從其中6111個(gè)分子里，尋找具有潛在抗菌潛力的分子。從中，這種模型認(rèn)為一個(gè)分子具有很強(qiáng)的抗菌活性。有意思的是，這種分子原先是作為一種糖尿病藥物而開發(fā)出來的，在結(jié)構(gòu)上和已有的任何一種抗生素都明顯不同。后續(xù)的一些研究，也表明該分子對人類細(xì)胞的毒性較低。

據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞透露，研究人員們致敬經(jīng)典科幻片《2001太空漫游》(2001： A Space Odyssey)，將該分子命名為halicin(電影里的人工智能系統(tǒng)叫做HAL 9000)。隨后，他們在培養(yǎng)皿里測試了halicin對多種耐藥菌的殺菌效果，而結(jié)果令人欣喜!除了銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa，一種難治的肺部病原體)之外，halicin對所有測試的耐藥菌都有殺傷作用。

▲除了銅綠假單胞菌(藍(lán)色)外，halicin在測試的幾種耐藥菌里，顯示了良好的廣譜抗菌活性(圖片來源：參考資料[1])

當(dāng)然，培養(yǎng)皿中的結(jié)果，還不能代表活體動(dòng)物上的抗菌療效。于是，研究人員們又讓小鼠感染上了一種超級耐藥的鮑氏不動(dòng)桿菌(A。 baumannii)。同樣據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞介紹，這種超級細(xì)菌能耐受已知所有的抗生素!而halicin再次顯現(xiàn)出了神奇的效果——含有halicin的軟膏在24小時(shí)內(nèi)，就徹底清除了感染。

基于以上這些結(jié)果，研究人員們指出，halicin具有廣譜的抗菌活性。而從機(jī)理上看，這是因?yàn)樗芨蓴_細(xì)菌，不讓它們形成跨膜的電化學(xué)梯度。一般情況下，這種電化學(xué)梯度能協(xié)助細(xì)菌產(chǎn)生能量。如果沒有這種梯度，細(xì)菌就會(huì)死亡。研究人員們也提到，重塑電化學(xué)梯度的過程非常復(fù)雜，不是簡單的幾個(gè)突變就能完成的，因此這也最大程度上杜絕了耐藥性的產(chǎn)生。

利用這套系統(tǒng)，研究人員們進(jìn)一步在另一個(gè)數(shù)據(jù)庫里篩選了數(shù)億個(gè)分子，并從中找到了23個(gè)與現(xiàn)有抗生素結(jié)構(gòu)迥異，且對人類細(xì)胞無毒性的潛在抗菌分子。這一篩選過程，只用了短短的3天時(shí)間。后續(xù)的研究也表明，其中8個(gè)分子的確有抗細(xì)菌的活性，2個(gè)分子的活性尤其強(qiáng)。科學(xué)家們也計(jì)劃繼續(xù)對這些分子進(jìn)行研究和評估。

正如一些科學(xué)家所言，這項(xiàng)突破性的研究是抗生素藥物研發(fā)的一個(gè)范式改變，有望提高我們發(fā)現(xiàn)新型抗生素的效率，給我們帶來更多抗擊超級細(xì)菌的武器。

關(guān)鍵詞： 人工智能 抗生素