Yapay zeka, karmaşık yaşamın kökenini açıklayan mikroorganizmalar olan arkelerde antibiyotikler keşfetti

Arkeler , bakteriler ve ökaryotlar (insanları, hayvanları ve bitkileri içeren grup) ile birlikte yaşamın üç alanından (tüm canlıların sınıflandırıldığı evrimsel kategoriler) birini oluşturan tek hücreli mikroorganizmalardır. Bunlar, Dünya'nın erken dönemlerindeki evrimin ilk aşamalarının üyeleridir ve bu zorlu ortamda, aşırı sıcaklıklarda (gayzerlerde 80 derecenin üzerinde), yüksek tuzlulukta, asiditede veya alkalilikte ve yüksek basınçlarda (okyanusların derinliklerinde bulunurlar) yaşamayı öğrenmişlerdir. Ayrıca, alan ve kaynaklar için rekabet ettikleri biyolojik komşuları bakterilerden daha uzun süre hayatta kalmayı başarmışlardır. Bu durum, İspanyol biyoteknoloji uzmanı César de la Fuente'nin Pensilvanya Üniversitesi'ndeki laboratuvarını , bu koşullar altında, mikroorganizmaların mevcut ilaçlara karşı geliştirdiği dirence yanıt olarak yeni antibiyotiklerin kapısını açabilecek savunma mekanizmalarına ihtiyaç duyacaklarına inanmaya yöneltmiştir. Yapay zekâ (YZ) ve hesaplamalı derin öğrenmeyi kullanan ekip, YZ tarafından tanımlanan 80 bileşiğin %93'ünde "arkeainler" adını verdikleri antimikrobiyal ajanlar buldu. Salı günü Nature Microbiology'de yayınlanan bir yayına göre, Arkeasin-73, canlı organizmada son çare antibiyotik olan polimiksin B ile aynı performansı gösterdi.

Mevcut antibiyotikler, mikropların kendilerini diğer türlere karşı savunmak için geliştirdikleri kimyasal silahlardan türetilmiştir ve soyu tükenmiş hayvanlar ve insanlar da dahil olmak üzere her türlü ortamda aranmıştır. Ancak, The Microbe dergisinde yayınlanan ve Britanya'nın Bath şehrindeki Roma hamamlarındaki bakteri ve arke toplulukları üzerine yapılanlar gibi çok sınırlı araştırmalar dışında, bu dirençli organizmaların 20.000'den fazla türü hakkında hiçbir araştırma yapılmamıştır.

Dünya Sağlık Örgütü tarafından insanlığın en büyük tehditlerinden biri olarak kabul edilen ilaca dirençli ve yaşamı tehdit eden enfeksiyonların artışı karşısında, bu alanlardan herhangi birini araştırmak hayati önem taşımaktadır. 2019 yılında, bakteriyel antibiyotik direnci dünya çapında 4,95 milyon ölümle ilişkilendirilmiştir ve alternatifler bulunmazsa, bu sayı önümüzdeki yirmi yılda iki katına çıkacaktır.

"Penisilin keşfinden bu yana, yeni antibiyotik arayışı neredeyse tamamen bakteri ve mantarlara odaklandı. Bizim çalışmamızla bu paradigma değişiyor çünkü yaşamın neredeyse hiç keşfedilmemiş bir alanında antibiyotik keşfediyoruz," diye vurguluyor Pennsylvania Üniversitesi'nden bilim insanı.

Bu şekilde, De la Fuente'nin arkeler üzerindeki araştırması, enfeksiyon önleyici özelliklere sahip bileşikleri imha edip tanımlamak için onlarca yıl harcamayı önleyen bir teknik aracılığıyla, gelecekteki tedaviler için önemli bir kaynak açıyor. Galiçyalı biyoteknolojist, "Yapay zeka, beklenmedik biyolojik kaynaklardan yeni antibiyotikler ortaya çıkarabilir. Algoritmaları hızlı deneysel testlerle birleştirmek, dijital hızda keşifleri hızlandırmamızı sağlıyor," diye açıklıyor.

Çalışmanın ortak yazarı biyokimyacı Marcelo Torres, "Çalışmamız, henüz keşfedilmemiş bir yaşam alanı olan arkelerin, antibiyotik direnciyle mücadele etme potansiyeline sahip geniş bir antimikrobiyal molekül rezervuarı barındırdığını ortaya koyuyor" diye ısrar ediyor.

Ekip, bu çalışma için arkeler hakkındaki mevcut detaylı bilgilere güvendi ve önceki versiyonlarına kıyasla geliştirilmiş bir model olan ve arkeomun derinliklerine inme görevi için özel olarak eğitilmiş bir yapay zeka programı (ApexOracle) kullandı. De la Fuente, "Neredeyse hiç keşfedilmemiş bir yaşam alanını keşfettik ve antibiyotikler konusunda yeni bir altın madeni keşfettik. Biyolojik açıdan bakıldığında, arkeleri bakteri ve mantarlarla birlikte faydalı moleküller açısından zengin bir kaynak olarak konumlandırıyoruz," diye vurguluyor.

Laboratuvar, bileşikleri tanımlamak için yapay zeka ve derin öğrenme kullanmaya başladığından beri sistem gelişti. İlk çalışmada, bilgisayarın önerilerinin sadece %60'ından biraz fazlası için sonuçlar elde edildi ve bu bir başarı olarak değerlendirildi. Modelin yeniden programlanması ve iyileştirilmesiyle bu oran 30 puan arttı. Araştırmacı, "Bu bize, modeli eğitmek için ne kadar çok deneysel veri kullanırsak, sonucun o kadar iyi olacağını gösteriyor," diye açıklıyor.

Bilgisayar araçlarının kimya ile birleşimi giderek büyüyen bir alan. Endülüs Gelişim Biyolojisi Merkezi'nde araştırmacı ve Pablo de Olavide Üniversitesi Mikrobiyoloji Bölümü'nde profesör olan Younes Smani liderliğindeki bir çalışma , yaygın bir kanser tedavisi olan tamoksifen ve ilgili bir bileşik olan raloksifende yeni bir dizi potansiyel antibiyotik geliştirmenin temelini buldu.

Yeni antibakteriyel moleküllerin tanımlanmasının yanı sıra, araştırmalar aynı zamanda etkililiklerini artırmak için yeni ilaç verme formülleri de geliştiriyor. Bu , Huelva Üniversitesi , Sevilla Üniversitesi ve Virgen Macarena Üniversitesi Hastanesi'nden bir araştırma ekibinin önerisidir. Ekip, saç telinden bir milyon kat daha ince karbon nanotüpler kullanarak ilacın enfeksiyon odağında daha hassas etki etmesini ve etkili olduğu süreyi artırmasını sağlamıştır. Descubre Vakfı, Journal of Drug Delivery Science and Technology dergisinde yayınlanan araştırmaya dayanarak, aktif bileşenin bu daha verimli şekilde verilmesinin antibiyotik direnciyle mücadele için başka bir strateji olduğunu bildiriyor.

Médecins Sans Frontières raporuna göre antibiyotik direnci (AMR) oranları, "çatışma, nüfus yerinden edilmesi, iklim kaynaklı afetler veya sağlık sisteminin kırılgan olduğu ortamlarda endişe verici derecede yüksektir." STK, "temel antibiyotiklerin sınırlı bulunabilirliği, sık sık eksiklikleri ve bu ortamlarda sıklıkla görülen tekrarlayan enfeksiyonlar gibi diğer faktörlerin, hastalar tarafından uygunsuz antibiyotik kullanımına yol açabileceğini ve bunun da AMR'yi artırabileceğini" açıklıyor.