Archeony to jedne z najstarszych mikroorganizmów na Ziemi. Przetrwały miliardy lat w tak nieprzyjaznych środowiskach jak kominy głębinowe, gorące źródła czy słone bagna. Choć pod mikroskopem przypominają bakterie, archeony zasadniczo różnią się od nich genetyką, budową błony i ściany komórkowej oraz biochemią. Te właśnie różnice pozwalają im przetrwać w najbardziej ekstremalnych środowiskach Ziemi.

Naukowcy z University of Pennsylvania (USA) wykorzystali sztuczną inteligencję do identyfikacji obecnych w archeonach, nieznanych dotąd związków, które mogą przyczynić się do rozwoju antybiotyków nowej generacji.

„Wcześniejsze próby znalezienia nowych antybiotyków koncentrowały się głównie na grzybach, bakteriach i zwierzętach” – powiedział prof. César de la Fuente, starszy autor artykułu.

W przeszłości laboratorium de la Fuente wykorzystywało modele sztucznej inteligencji do identyfikacji kandydatów na antybiotyki z szeregu mało prawdopodobnych źródeł, od DNA wymarłych organizmów po substancje chemiczne zawarte w jadzie zwierząt.

Teraz narzędzia te są wykorzystywane do nowego zestawu danych: białek setek starożytnych mikrobów. „Na odkrycie czeka zupełnie inna dziedzina życia” – podkreślił de la Fuente.

Archeony często rozwijają się w warunkach zabójczych dla innych organizmów – znoszą wysokie ciśnienia, toksyczne substancje chemiczne i ekstremalne temperatury, dlatego ich biologia ewoluowała w nietypowy sposób, można się zatem spodziewać, że wytworzyły substancje działające jak antybiotyki w nieznany dotychczas sposób.

„Archeony przyciągnęły naszą uwagę, ponieważ musiały wykształcić biochemiczne mechanizmy obronne w nietypowych środowiskach – podkreślił Marcelo Torres, pracownik naukowy w laboratorium de la Fuente i współautor artykułu. - Pomyśleliśmy, że skoro przetrwały miliardy lat w tych warunkach, być może rozwinęły unikalne sposoby walki z mikrobiologicznymi konkurentami i być może moglibyśmy się od nich czegoś nauczyć”.

Aby odkryć potencjalne antybiotyki, naukowcy wykorzystali zaktualizowaną wersję narzędzia AI o nazwie APEX, które laboratorium de la Fuente pierwotnie opracowało w celu identyfikacji kandydatów na antybiotyki na przykład w białkach wymarłych zwierząt, takich jak mamut włochaty.

Po zapoznaniu się z tysiącami peptydów – krótkich łańcuchów aminokwasów – o znanych właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, APEX może przewidzieć prawdopodobieństwo, że dana sekwencja aminokwasów będzie miała podobne działanie.

Przeszkolenie APEX 1.1 na tysiącach dodatkowych peptydów i informacjach o bakteriach wywołujących choroby u ludzi pozwoliło naukowcom przygotować narzędzie do przewidywania, które peptydy w archeonach mogą hamować wzrost bakterii.

Skanowanie 233 gatunków archeonów dostarczyło ponad 12 000 kandydatów na antybiotyki. Naukowcy nazwali te cząsteczki „archeazynami”, które, jak wykazała analiza chemiczna, różnią się od znanych peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP), w szczególności pod względem rozkładu ładunku elektrycznego.

Następnie naukowcy wybrali 80 archeazyn do przetestowania na rzeczywistych bakteriach. „Próba znalezienia nowych antybiotyków, po jednej cząsteczce, przypomina szukanie igły w stogu siana – zaznaczył Fangping Wan, adiunkt w laboratorium de la Fuente i drugi współautor artykułu. - Sztuczna inteligencja przyspiesza ten proces, identyfikując miejsca, w których igły prawdopodobnie się znajdują”.

Antybiotyki działają na wiele sposobów. Niektóre przebijają błony bakteryjne, podczas gdy inne blokują zdolność do wytwarzania białek. W przeciwieństwie do większości znanych AMP, które atakują zewnętrzne mechanizmy obronne bakterii, archeazyny zdają się blokować działanie od wewnątrz, zakłócając sygnały elektryczne, które utrzymują komórkę przy życiu.

W testach na szeregu chorobotwórczych, lekoopornych bakterii, 93 proc. z 80 przebadanych archeazyn wykazało działanie przeciwdrobnoustrojowe wobec co najmniej jednej bakterii. Następnie naukowcy wybrali trzy archeazyny do przetestowania na modelach zwierzęcych. Cztery dni po podaniu pojedynczej dawki archeazyny zahamowały rozprzestrzenianie się bakterii opornej na leki, często nabywanej w szpitalach. Jeden z trzech związków wykazał aktywność porównywalną z polimyksyną B, antybiotykiem powszechnie stosowanym jako ostatnia linia obrony przed zakażeniami lekoopornymi.

„Te badania pokazują, że u archeonów potencjalnie czeka na odkrycie wiele antybiotyków – zaznczył de La Fuente. - W związku z tym, że coraz więcej bakterii rozwija oporność na istniejące antybiotyki, kluczowe jest znalezienie nowych antybiotyków w niekonwencjonalnych miejscach, aby je zastąpić”.

Autorzy planują dalsze udoskonalanie narzędzia APEX, aby mogło ono przewidywać potencjalne antybiotyki na podstawie ich struktury, co powinno zwiększyć dokładność narzędzia. Mają również nadzieję lepiej zrozumieć długoterminową skuteczność i bezpieczeństwo archeazyn, dążąc do tego, by pewnego dnia poddać je badaniom klinicznym na ludziach.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ agt/