L'IA découvre des antibiotiques dans les archées, les micro-organismes qui expliquent l'origine de la vie complexe

Les archées sont des micro-organismes unicellulaires qui constituent l'un des trois domaines du vivant (catégories évolutives dans lesquelles sont classés tous les êtres vivants), avec les bactéries et les eucaryotes, le groupe qui comprend les humains, les animaux et les plantes. Elles appartiennent aux premiers stades de l'évolution sur la Terre primitive et, dans cet environnement hostile, ont appris à vivre sous des températures extrêmes (plus de 27 °C dans les geysers), une salinité, une acidité ou une alcalinité élevées, et des pressions élevées (elles sont présentes dans les profondeurs des océans). Elles ont également réussi à survivre à leurs voisines biologiques, les bactéries, avec lesquelles elles sont en compétition pour l'espace et les ressources. Ceci a conduit le laboratoire du biotechnologue espagnol César de la Fuente, à l'Université de Pennsylvanie, à penser que, dans ces conditions, elles auraient besoin de mécanismes de défense susceptibles d'ouvrir la voie à de nouveaux antibiotiques en réponse à la résistance développée par les micro-organismes aux médicaments existants. Grâce à l'intelligence artificielle (IA) et à l'apprentissage profond computationnel, l'équipe a identifié des agents antimicrobiens, appelés « archéaïnes », dans 93 % des 80 composés identifiés par l'IA. L'archéasine-73 a obtenu des résultats in vivo comparables à ceux de la polymyxine B, un antibiotique de dernier recours, selon une publication parue mardi dans Nature Microbiology .

Les antibiotiques existants proviennent d'armes chimiques développées par des microbes pour se défendre contre d'autres espèces et ont été recherchés dans tous types d'environnements, y compris chez les animaux et les humains disparus. Mais, hormis quelques recherches très limitées, comme celles publiées dans The Microbe sur les communautés bactériennes et archéennes des thermes romains de la ville britannique de Bath, aucune étude n'avait été menée sur les plus de 20 000 espèces de ces organismes résistants.

L'exploration de ces domaines est essentielle face à la montée des infections résistantes aux médicaments et potentiellement mortelles , considérées par l'Organisation mondiale de la Santé comme l'une des plus grandes menaces pour l'humanité. En 2019, la résistance bactérienne aux antibiotiques était associée à 4,95 millions de décès dans le monde, et si aucune alternative n'est trouvée, ce nombre doublera au cours des deux prochaines décennies.

« Depuis la découverte de la pénicilline, la recherche de nouveaux antibiotiques s'est concentrée presque exclusivement sur les bactéries et les champignons. Grâce à nos travaux, ce paradigme change, car nous découvrons des antibiotiques dans un domaine du vivant pratiquement inexploré », souligne le scientifique de l'Université de Pennsylvanie.

Ainsi, les recherches de De la Fuente sur les archées ouvrent une voie importante pour de futurs traitements grâce à une technique qui évite de passer des décennies à éliminer et identifier des composés aux propriétés anti-infectieuses. « L'intelligence artificielle peut révéler de nouveaux antibiotiques à partir de sources biologiques inattendues. Combiner algorithmes et tests expérimentaux rapides nous permet d'accélérer les découvertes à la vitesse du numérique », explique le biotechnologue galicien.

« Notre étude », insiste le biochimiste Marcelo Torres, co-auteur de l’étude, « révèle que les archées, un domaine du vivant encore à explorer, abritent un vaste réservoir de molécules antimicrobiennes ayant le potentiel de combattre la résistance aux antibiotiques. »

Pour ce travail, l'équipe s'est appuyée sur les informations détaillées existantes sur les archées et a utilisé un programme d'intelligence artificielle (ApexOracle) , un modèle amélioré par rapport aux versions précédentes et spécialement entraîné pour explorer l'archéome. « Nous avons exploré un domaine du vivant pratiquement inexploré et découvert une nouvelle mine d'antibiotiques. D'un point de vue biologique, nous positionnons les archées, au même titre que les bactéries et les champignons, comme une riche source de molécules utiles », souligne De la Fuente.

Le système s'est amélioré depuis que le laboratoire a commencé à utiliser l'IA et l'apprentissage profond pour identifier les composés. Lors des premiers travaux, des résultats ont été obtenus pour un peu plus de 60 % des propositions de l'ordinateur, ce qui a été considéré comme un succès. Avec la reprogrammation et le perfectionnement du modèle, ce pourcentage a augmenté de 30 points. « Cela nous indique que plus nous utilisons de données expérimentales pour entraîner le modèle, meilleurs sont les résultats », explique le chercheur.

L'association des outils informatiques à la chimie est un domaine en plein essor. Une étude menée par Younes Smani, chercheur au Centre andalou de biologie du développement et professeur au département de microbiologie de l'Université Pablo de Olavide, a permis de développer une nouvelle série d'antibiotiques potentiels : le tamoxifène (un traitement anticancéreux courant) et le raloxifène, un composé apparenté.

Outre l'identification de nouvelles molécules antibactériennes, la recherche développe également de nouvelles formules d'administration de médicaments pour accroître leur efficacité. C'est la proposition d'une équipe de recherche de l' Université de Huelva , de l' Université de Séville et de l' Hôpital universitaire Virgen Macarena , qui a utilisé des nanotubes de carbone, un million de fois plus fins qu'un cheveu, pour permettre au médicament d'agir plus précisément sur le foyer de l'infection et d'augmenter sa durée d'efficacité. Cette administration plus efficace du principe actif constitue une autre stratégie pour lutter contre la résistance aux antibiotiques, rapporte la Fondation Descubre, d'après une étude publiée dans le Journal of Drug Delivery Science and Technology .

Selon un rapport de Médecins Sans Frontières , les taux de résistance aux antibiotiques (RAM) « sont alarmants dans les contextes de conflit, de déplacements de population, de catastrophes climatiques ou lorsque le système de santé est fragile ». L'ONG explique que « la disponibilité limitée des antibiotiques essentiels, leurs pénuries fréquentes et les infections récurrentes qui surviennent souvent dans ces contextes, entre autres facteurs, peuvent conduire à une utilisation inappropriée des antibiotiques par les patients, ce qui accroît la RAM ».