كيف يساهم الذكاء الاصطناعي في حل مشكلة مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية؟

في إشارة مشجعة للطلب على المضادات الحيوية الأكثر أمانا وفاعلية للبشر، استخدم الباحثون في جامعة تكساس في أوستن الذكاء الاصطناعي لتطوير دواء جديد يظهر بالفعل نتائج واعدة في التجارب على الحيوانات.

ونشر العلماء نتائجهم في مجلة Nature Biomedical Engineering، حيث وصفوا استخدام نموذج لغوي كبير - أداة ذكاء اصطناعي مثل تلك التي تعمل على تشغيل ChatGPT - لتصميم نسخة من دواء يقتل البكتيريا كان سامًا في السابق للبشر، بحيث يكون آمنًا للاستخدام.

انتشار البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية

لقد ساءت حالة المرضى المصابين بعدوى بكتيرية خطيرة في السنوات الأخيرة مع انتشار سلالات بكتيرية مقاومة للمضادات الحيوية وتوقف تطوير خيارات علاجية جديدة.

ومع ذلك، يقول باحثو جامعة تكساس إن أدوات الذكاء الاصطناعي تغير قواعد اللعبة.

قال كلاوس ويلك، أستاذ علم الأحياء التكاملي والإحصاء وعلوم البيانات، والمؤلف الرئيسي المشارك في الدراسة الجديدة: "لقد وجدنا أن نماذج اللغة الكبيرة تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام لتطبيقات التعلم الآلي في هندسة البروتين والببتيد".

وأضاف: "بدأت العديد من حالات الاستخدام التي لم تكن ممكنة بالطرق السابقة في العمل الآن، أتوقع أن يتم استخدام هذه الطرق والأساليب المماثلة على نطاق واسع لتطوير العلاجات أو الأدوية في المستقبل".

صُممت نماذج اللغة الكبيرة في الأصل لتوليد واستكشاف تسلسلات النصوص، لكن العلماء يجدون طرقًا إبداعية لتطبيق هذه النماذج على مجالات أخرى.

وقد تتجمع البروتينات ذات الوظائف المماثلة، مثل القدرة على محاربة البكتيريا الخطيرة دون الإضرار بالأشخاص الذين يستضيفون هذه البكتيريا، معًا في نسختها الخاصة من مساحة تضمين الذكاء الاصطناعي.

قال ديفيز، المؤلف المشارك الرئيسي للورقة البحثية الجديدة: "الفضاء الذي يحتوي على جميع الجزيئات هائل، يسمح لنا التعلم الآلي بالعثور على مناطق الفضاء الكيميائي التي تتمتع بالخصائص التي نهتم بها، ويمكنه القيام بذلك بشكل أسرع وأكثر دقة من الأساليب المختبرية القياسية التي تعتمد على كل جزء على حدة".

في هذا المشروع، استخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي لتحديد طرق إعادة هندسة مضاد حيوي موجود يسمى بروتيجرين-1، وهو رائع في قتل البكتيريا، ولكنه سام للإنسان.

ما هو بروتيجرين-1؟

بروتيجرين-1، الذي تنتجه الخنازير بشكل طبيعي لمكافحة العدوى، هو جزء من نوع فرعي من المضادات الحيوية يسمى الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs). تقتل الببتيدات المضادة للميكروبات البكتيريا بشكل عام بشكل مباشر عن طريق تعطيل أغشية الخلايا، لكن العديد منها يستهدف أغشية الخلايا البكتيرية والبشرية.

أولًا، استخدم الباحثون طريقة عالية الإنتاجية قاموا بتطويرها مسبقًا لإنشاء أكثر من 7000 نوع مختلف من بروتيجرين-1 وتحديد مناطق AMP التي يمكن تعديلها بسرعة دون فقدان نشاطها المضاد الحيوي.

وبعد ذلك، دربوا بروتين LLM على هذه النتائج حتى يتمكن النموذج من تقييم ملايين الاختلافات المحتملة لثلاث سمات: استهداف الأغشية البكتيرية بشكل انتقائي، وقتل البكتيريا بشكل فعال وعدم الإضرار بخلايا الدم الحمراء البشرية للعثور على تلك التي تقع في النقطة المثالية لكل من السمات الثلاث، ثم ساعد النموذج في توجيه الفريق إلى نسخة أكثر أمانًا وفعالية من Protegrin-1، والتي أطلقوا عليها اسم Protegrin-1.2 الانتقائي للبكتيريا (bsPG-1.2).

كانت احتمالات اكتشاف البكتيريا في أعضائها بعد ست ساعات من الإصابة بالعدوى أقل بكثير لدى الفئران المصابة ببكتيريا مقاومة للأدوية المتعددة والمعالجة بـ bsPG-1.2، مقارنة بالفئران غير المعالجة.

إذا قدمت الاختبارات الإضافية نتائج إيجابية مماثلة، يأمل الباحثون في نهاية المطاف في تجربة نسخة من عقار المضاد الحيوي المدعوم بالذكاء الاصطناعي على البشر.

وقال ديفيز "إن تأثير التعلم الآلي مزدوج، فهو سيشير إلى جزيئات جديدة قد يكون لها القدرة على مساعدة الناس، وسيوضح لنا كيف يمكننا استخدام جزيئات المضادات الحيوية الموجودة وتحسينها وتركيز عملنا على إيصالها إلى الممارسة السريرية بشكل أسرع".