Wojnę z bakteriami zaczynaliśmy już przegrywać. Może nowa, inteligentna broń pozwoli nam odzyskać w tej walce przewagę

Skuteczne środki do zmagań z bakteriami ludzkość zyskała całkiem niedawno. Pierwszy antybiotyk Aleksander Fleming wyodrębnił ze szczepu pleśni w roku 1928. Ale na wejście penicyliny – bo o niej mowa – do powszechnego użycia trzeba było poczekać do drugiej wojny światowej i 1942 roku. Stawiała chorych, którym inaczej groziłaby śmierć, na nogi w ciągu kilku dni, co zadziwiało nawet lekarzy.

Osiemdziesiąt lat później lekarze muszą czasem bezradnie rozłożyć ręce.

Między bakteriami a ludźmi trwa bowiem bezustanny wyścig zbrojeń. Przestrzegał przed tym już sam Fleming, który podczas przemówienia po wręczeniu Nagrody Nobla wspomniał, że w laboratorium można z łatwością wyhodować drobnoustroje odporne na penicylinę poprzez wystawienie ich na stężenia niewystarczające do ich zabicia. Wspominał też, że to samo czasami zdarza się w ludzkim organizmie.

Badacz doskonale o tym wiedział, bo Nobla odebrał w 1945 roku, a pierwsze szczepy odporne na penicylinę pojawiły się już podczas wojny, gdy antybiotyk wchodził dopiero do użycia. Gronkowiec złocisty stał się odporny na penicylinę już w latach 60., raptem dwie dekady po jej wejściu na rynek. Naukowcy – wiedząc o odporności na lek – zdążyli opracować półsyntetyczną pochodną penicyliny – metycylinę – pod koniec lat 50. Ale tu historia się powtórzyła – gdy metycylina wchodziła na rynek, już istniały (choć rzadkie) szczepy na nią odporne.

Tak, to jest wyścig zbrojeń – i na razie go przegrywamy. Powszechne nadużywanie antybiotyków sprawiło, że niektóre szczepy bakterii stały się odporne na większość znanych leków. Całkiem niedawno zaś także odporne na każdy znany antybiotyk. Firmom farmaceutycznym nie opłaca się inwestować milionów dolarów w lek, który przeciętny pacjent bierze przez mniej więcej tydzień raz w roku, skoro są takie, które trzeba brać miesiącami lub latami – wszakże to długa i stała sprzedaż gwarantuje zwrot kosztów na badania. Nie przypadkiem więc szczep Penicilium o wysokiej zawartości penicyliny i sposób na jej przemysłową produkcję opracowali naukowcy z państwowych laboratoriów amerykańskiego Departamentu Rolnictwa (National Center for Agricultural Utilization Research, NCAUR).

Eksperci, w tym Światowa Organizacja Zdrowia, alarmują, że jeśli nic się nie zmieni, to do połowy tego wieku liczba umierających na dotąd uleczalne bakteryjne infekcje zwiększy się dziesięciokrotnie. Zaczniemy umierać na zakażenia, ryzykowne będzie nawet wyrwanie zęba, nie mówiąc o operacjach chirurgicznych.

Pierwszy antybiotyk od dekad

Iskierką nadziei jest odkrycie zupełnie nowego antybiotyku – pierwszego od lat 80. ubiegłego wieku. Dokonali tego badacze z amerykańskiego MIT, o czym donoszą w czasopiśmie „Cell”. Odkryty przez nich antybiotyk – halicyna – jest pierwszym, który powstał dzięki algorytmom uczenia maszynowego.

Badacze nauczyli sieć neuronową wykrywania związków hamujących wzrost bakterii Escherichia coli na podstawie niemal 2,5 tysiąca znanych z takiego działania związków (w tym także znanych antybiotyków). Na tych przykładach algorytm nauczył się, jakiego rodzaju związki chemiczne działają przeciwbakteryjnie. Przykładowe substancje nie były w żaden sposób opisane, więc – jak mówi „Nature” współautorka pracy naukowej Regina Barzilay – „w rezultacie model może się uczyć nowych wzorców nieznanych ekspertom”.

Wytrenowaną sieć wykorzystano do przejrzenia bazy Drug Repurposing Hub, która zawiera 6 tysięcy substancji leczniczych i powstała właśnie po to, by móc je przeszukiwać pod kątem nowego, nieznanego jeszcze działania. Takie rozwiązanie ma tę zaletę, że poszukuje się wśród substancji już wytypowanych lub przetestowanych jako leki.

To, co chemikom w laboratoriach zajęłoby miesiące, sztucznej inteligencji zajęło godziny. Algorytm znalazł takich bakteriobójczych substancji około setki. Reszta należała już do naukowców, którzy przewidywania algorytmu musieli sprawdzić w laboratorium.

Szkocki bakteriolog Aleksander Fleming (1881-1955) w swoim laboratorium, gdzie w 1928 roku wynalazł penicylinę. Zdjęcie niedatowane, ok. 1929.

Jeden ze związków, opracowany jako obiecujący kandydat na lek na cukrzycę, okazał się niezwykle skutecznym antybiotykiem działającym (jak wykazały testy na myszach), nie tylko na E. coli, lecz także na wiele innych bakterii. W tym także na oporne na wiele znanych antybiotyków szczepy Clostridioides difficileAcinetobacter baumanii. Obie te bakterie są nieszkodliwe dla osób zdrowych, ale pierwsza powoduje rzekomobłoniaste zapalenie jelit u osób po (paradoksalnie) kuracjach antybiotykowych, druga zaś jest przyczyną groźnych zakażeń szpitalnych u osób z obniżoną odpornością. Na pierwszą z nich często pozostaje już tylko jeden antybiotyk „ostatniej szansy”, na drugą – już żaden.

Naukowcy postanowili nazwać nowy środek halicyną, od HAL-a, sztucznej inteligencji dowodzącej statkiem kosmicznym w filmie „2001: Odyseja kosmiczna” Stanleya Kubricka.

Kandydaci na leki poszukiwani

Co szczególnie obiecujące, mechanizm działania halicyny jest zupełnie nowy. Istniejące antybiotyki zwykle albo hamują syntezę związków potrzebnych bakteriom do budowy ścian komórkowych, albo syntezę białek. Nowo odkryty lek zaburza zaś przepływ protonów przez błony komórkowe. W testach na zwierzętach okazał się mało toksyczny, a co więcej – bakterie nie nabywały nań odporności. W laboratorium bakterie często stają się niewrażliwe na lek po jednym lub dwu dniach, a działanie halicyny było skuteczne nawet po miesiącu.

Po tym niezwykle obiecującym odkryciu badacze postanowili wykorzystać algorytm do przeszukania znacznie większej bazy związków chemicznych, ZINC15, zawierającej ponad 1,5 miliarda pozycji. Wstępnie wybrano z niej 100 milionów, a z nich algorytm wytypował 23 obiecujących „kandydatów na antybiotyki”. Badacze potwierdzili ich działanie w przypadku ośmiu, dwa działały nawet na antybiotykooporne szczepy E. coli.

W wypowiedzi dla „Nature” Jim Collins, szef badaczy z MIT i główny autor pracy, wyraził nadzieję, że zespół szybko znajdzie partnera do badań klinicznych halicyny. Chciałby też poszerzyć poszukiwania nowych antybiotyków i zająć się ich projektowaniem od zera. Badacze uważają bowiem swoją pracę jedynie za demonstrację mającą na celu sprawdzenie, czy koncepcja ma potencjał praktyczny (proof of concept). „To badanie zbiera wszystko razem i pokazuje, co jest możliwe”, mówi Collins.

Oczywiście odkrycie nowego antybiotyku, nawet za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji, to dopiero początek dość długiej drogi. Dopiero po serii badań klinicznych będzie można stwierdzić, czy halicyna jest nieszkodliwa dla ludzi. Ale w wyścigu zbrojeń z bakteriami ludzie zyskali właśnie bardzo cenną broń – sztuczną inteligencję.

Dla brytyjskiego „Guardiana” Jacob Durrant, który zajmuje się komputerowo wspomaganym projektowaniem leków na University of Pittsburgh, komentuje: „To pokazuje potęgę komputerowo wspomaganego projektowania leków. Fizyczne przetestowanie ponad 100 milionów związków pod kątem działania bakteriobójczego byłoby niemożliwe. Biorąc pod uwagę koszty badań i czas, jaki pochłaniają badania nad lekami, każda metoda, która przyspiesza wczesne etapy ich odkrywania, może mieć olbrzymie znaczenie”.

Skip to content