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| 本文作者： 李雨晨 | 2020-02-22 16:59 |
雷鋒網(wǎng)消息，當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月20日，全球自然科學(xué)研究領(lǐng)域最著名期刊之一《細(xì)胞》Cell 以封面文章的形式發(fā)表了題為“A Deep Learning Approach to Antibiotic Discovery”的研究論文，文章報(bào)道了麻省理工學(xué)院（MIT）生物工程師Jim Collins領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)了超強(qiáng)抗生素halicin，能夠殺死耐藥細(xì)菌。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，來分析化合物的分子結(jié)構(gòu)并挑選出潛在的抗生素。深度學(xué)習(xí)模型的目的是識(shí)別能夠殺滅細(xì)菌的化合物，其機(jī)理與現(xiàn)有藥物不同。
在分析了大約2500種不同的分子后，人工智能系統(tǒng)識(shí)別出一種新的抗生素化合物。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種化合物殺死了世界上許多最具問題的致病細(xì)菌，包括結(jié)核病和被認(rèn)為無法治愈的菌株。
這種新的抗生素化合物被稱為halicin，以1968年的電影《2001：太空漫游》中的AI系統(tǒng)Hal 9000命名。
麻省理工學(xué)院的醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所和生物工程系的教授James Collins說，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著（人類）對(duì)抗抗生素耐藥性的一個(gè)突破。
論文表示，自青霉素出現(xiàn)以來，抗生素已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石。然而，隨著時(shí)間的推移，細(xì)菌會(huì)逐漸產(chǎn)生對(duì)抗生素的耐藥性，這就需要藥物研發(fā)工作者不斷開發(fā)新的抗生素。
但現(xiàn)實(shí)情況是，由于缺乏經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，私營藥企在新抗生素的發(fā)現(xiàn)上收效甚微，使得抗生素的問題越發(fā)嚴(yán)重。曾有研究預(yù)測(cè)，如果不立即采取措施開發(fā)新的抗生素，到2050年，因耐藥感染而死亡的人數(shù)將達(dá)到每年1000萬人。
Collins說：“我們正面臨著越來越多關(guān)于抗生素耐藥性的危機(jī)，這種情況的產(chǎn)生是由于越來越多的病原體對(duì)現(xiàn)有抗生素產(chǎn)生了耐藥性，以及生物技術(shù)和制藥行業(yè)對(duì)新抗生素的需求不足造成的。”
但問題是，發(fā)現(xiàn)新的抗生素變得越來越困難。現(xiàn)在，天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)受到重復(fù)復(fù)制問題的困擾。
許多抗生素發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目就轉(zhuǎn)向了篩選大型合成化學(xué)文庫。然而，這些文庫可能包含幾十萬到幾百萬個(gè)分子，它們的管理成本往往高得令人望而卻步，化學(xué)多樣性有限，而且不能反映抗生素分子固有的化學(xué)性質(zhì)。自20世紀(jì)80年代高通量篩選實(shí)施以來，沒有發(fā)現(xiàn)新的臨床抗生素使用這種方法。
隨著人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題似乎迎來轉(zhuǎn)機(jī)。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，這種深度學(xué)習(xí)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(cè)這些分子的特性。隨后，研究人員們給這種模型提供了2335個(gè)用于模型學(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。
研究人員們使用Broad研究所的一個(gè)化合物庫，讓深度學(xué)習(xí)模型從其中6111個(gè)分子里，尋找具有潛在抗菌潛力的分子。
halicin就是這樣被發(fā)現(xiàn)的。
研究人員測(cè)試了halicin對(duì)多種耐藥菌的殺菌效果。結(jié)果顯示，除了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，一種難治的肺部病原體）之外，halicin對(duì)所有測(cè)試的耐藥菌都有殺傷作用。
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(duì)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。
以色列理工學(xué)院的生物和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Roy Kishony說：這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作標(biāo)志著抗生素發(fā)現(xiàn)的范式轉(zhuǎn)變，甚至更廣泛的藥物發(fā)現(xiàn)。“這種方法將允許在抗生素開發(fā)的所有階段使用深度學(xué)習(xí)，從發(fā)現(xiàn)到通過藥物修改和藥物化學(xué)來提高療效和毒性。”雷鋒網(wǎng)
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