Dùng trí tuệ nhân tạo tìm thuốc kháng sinh mới từ sinh vật tuyệt chủng

Giáo sư Cesar de la Fuente tại Đại học Pennsylvania cho rằng, “cuộc chiến” chống siêu vi khuẩn cần cách tiếp cận mới và khác biệt

Thuốc kháng sinh và nguồn thay thế

Hầu hết các loại kháng sinh đều có nguồn gốc từ vi khuẩn, nấm và được phát hiện bằng cách sàng lọc các vi sinh vật sống trong đất. Nhưng trong những thập kỷ gần đây, mầm bệnh có khả năng kháng nhiều loại thuốc do tình trạng lạm dụng thuốc. Các nhà khoa học tham gia vào “cuộc chiến” toàn cầu chống lại siêu vi khuẩn đang khám phá các loại vũ khí tiềm năng khác nhau. Một hướng nghiên cứu thú vị liên quan đến peptide (chuỗi axit amin giúp tổng hợp protein) có khả năng kháng khuẩn, là các phân tử chống nhiễm trùng được tạo ra bởi nhiều sinh vật khác nhau - vi khuẩn, nấm, thực vật và động vật, bao gồm cả con người. Trong khi hầu hết các loại kháng sinh truyền thống hoạt động bằng cách tập trung vào một mục tiêu duy nhất trong tế bào thì các peptide kháng khuẩn sẽ liên kết và phá vỡ màng vi khuẩn ở nhiều nơi.

Ông Cesar De la Fuente, Giáo sư xuất sắc tại Đại học Pennsylvania đã sử dụng các phương pháp tính toán trong thập kỷ qua để đánh giá tiềm năng của nhiều loại peptide có thể thay thế cho kháng sinh. Ý tưởng nghiên cứu các phân tử đã tuyệt chủng nảy ra trong một cuộc họp trong phòng thí nghiệm khi bộ phim bom tấn “Công viên kỷ Jura” được đề cập. “Ý tưởng trong phim là gây dựng lại các sinh vật đã tuyệt chủng trong kỷ băng hà, và rõ ràng là gặp rất nhiều vấn đề. Nhưng chúng tôi nghĩ đến một ý tưởng khả thi hơn: Tại sao không mang các phân tử từ quá khứ quay trở lại?”, nhà nghiên cứu công nghệ sinh học cho biết.

“Việc này cho phép chúng ta khám phá các trình tự mới, các loại phân tử mới mà trước đây chưa tìm thấy ở các sinh vật sống, mở rộng cách nghĩ về sự đa dạng phân tử. Vi khuẩn ngày nay chưa bao giờ phải đối mặt với những phân tử đó nên cơ hội sẽ tốt hơn khi nhắm mục tiêu vào các mầm bệnh đang có vấn đề hiện nay”, Giáo sư Cesar De la Fuente nói.

Quy trình nghiên cứu dữ liệu di truyền từ sinh vật tuyệt chủng để tìm nhóm peptide có khả năng kháng khuẩn

Khai thác “kho báu” kháng khuẩn tự nhiên

Những tiến bộ trong việc phục hồi DNA cổ đại từ hóa thạch có được là nhờ thông tin di truyền học về họ hàng của loài người và các động vật tuyệt chủng đã được công bố rộng rãi. Để tìm ra các peptide chưa được biết đến trước đây, nhóm nghiên cứu đã đào tạo một thuật toán AI để nhận ra các vị trí bị phân mảnh trong protein của con người có thể có hoạt tính kháng khuẩn. Sau đó, các nhà khoa học áp dụng nó vào các chuỗi protein có sẵn của người hiện đại (Homo sapiens), người Neanderthal (Homo neanderthalensis) và người Denisovan, một loài người cổ xưa khác có liên quan chặt chẽ với người Neanderthal. Từ đó, các nhà nghiên cứu sử dụng các đặc tính của các peptide kháng khuẩn đã biết để dự đoán loại peptide cổ xưa nào có khả năng tiêu diệt vi khuẩn cao nhất.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp và thử nghiệm 6 loại peptide mạnh nhất, thử nghiệm với chuột bị nhiễm vi khuẩn Acinetobacter baumannii, một nguyên nhân phổ biến gây nhiễm trùng bệnh viện ở người. “Loại peptide tốt nhất là thứ mà chúng tôi gọi là Neanderthalien 1, đến từ người Neanderthal. Và đó là phương pháp hiệu quả nhất trên mô hình chuột”, ông Cesar de la Fuente viết trong nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học Cell Host & Microbe hồi tháng 8-2023.

Trong nghiên cứu dự kiến công bố vào năm tới, Cesar de la Fuente và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình học sâu mới để khám phá chuỗi protein của 208 sinh vật đã tuyệt chủng có thông tin di truyền chi tiết. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy hơn 11.000 peptide kháng khuẩn tiềm năng chưa từng được biết đến trước đây chỉ có ở các sinh vật đã tuyệt chủng, trong đó có loài voi ma mút lông xù Siberia, loài bò biển Steller (một loài động vật có vú ở biển đã bị tuyệt chủng vào thế kỷ 18 do hoạt động săn bắn ở Bắc Cực), con lười trên mặt đất dài 3m (Mylodon darwinii) và nai sừng tấm Ireland khổng lồ (Megaloceros giganteus). Các peptide mà họ phát hiện ra cho thấy “hoạt động chống nhiễm trùng tuyệt vời” ở chuột. Ông nói: “Đây là cơ hội duy nhất để chống lại tình trạng kháng kháng sinh bằng cách hồi sinh và khai thác sức mạnh của các phân tử trong quá khứ”.

Tuy nhiên, theo một bài báo xuất bản vào tháng 5-2021, trong số 10.000 hợp chất hứa hẹn được các nhà nghiên cứu xác định, chỉ có một hoặc hai loại thuốc kháng sinh đạt được sự chấp thuận của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ. Tiến sĩ Dmitry Ghilarov, trưởng nhóm tại Trung tâm John Innes ở Vương quốc Anh, người nghiên cứu về kháng sinh peptide, cho biết nút thắt thực sự trong việc tìm kiếm kháng sinh mới không hẳn là thiếu các hợp chất hứa hẹn mà là khiến các công ty dược phẩm phát triển và thử nghiệm lâm sàng. Kháng sinh peptide tiềm năng, có thể không ổn định, khó tổng hợp và nhất là kiểm soát độc tính do khả năng phá vỡ thành tế bào của nó.

Tiến sĩ Monique van Hoek, Giáo sư và Phó giám đốc nghiên cứu tại Trường Sinh học Hệ thống của Đại học George Mason ở Fairfax, Virginia, cho biết, rất hiếm khi một peptide được tìm thấy trong tự nhiên - dù đã tuyệt chủng hay từ một sinh vật sống - lại trực tiếp tạo ra một loại kháng sinh mới hoặc loại thuốc khác. Nhưng mức độ nghiêm trọng của cuộc khủng hoảng thuốc kháng sinh khiến cách tiếp cận phân tử sinh vật tuyệt chủng trở nên đáng giá.

Theo CNN