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為什么能用人工智能算法“發現”新抗生素?

分類:特色新工科 發布日期:2022-05-10 發布人:溈徠


為什么能用人工智能算法“發現”新抗生素?(圖1)


回顧一種AI算法發現了一種有前途的新抗生素分子,稱為 halicin。研究人員花費了大量的時間和金錢來尋找替代傳統抗生素的藥物。Halicin 對包括艱難梭菌在內的三種主要耐藥疾病病原體有效。

這項突破說明了什么呢?


用AI這個工具,分析數據,提煉潛在規律,但這里面有可能大量是“謬誤(spurious)”規律。這時候,人類“介入”,人類從中篩選出真正有意義的規律,從而來推動科學的發展。


為什么能用人工智能算法“發現”新抗生素?(圖2)


麻省理工學院的研究人員使用強大的計算機能力和人工智能來識別一種可能改變游戲規則的新抗生素藥物。使用機器學習梳理數以百萬計的選項可以幫助科學家在化學和財務方面跳出框框思考。


計算機算法可以挑選出哪些藥物可以對抗哪些病原體。2020年2月科學家們開發出人工智能,可以完全了解分子的作用和不作用。

麻省理工學院在一份聲明中寫道:“在這種情況下,研究人員設計的AI模型,能尋找使分子有效殺死大腸桿菌的化學特征?!?/span>


為了做到這一點,他們在大約2500個分子上訓練了這個模型,包括大約1700個FDA批準的藥物和800個具有不同結構和廣泛生物活性的天然產品?!?/span>


為什么能用人工智能算法“發現”新抗生素?(圖3)


這意味著該AI算法識別出有效殺死大腸桿菌的化學特征,包括一些與習慣于在特定環境或模式下思考的人腦相反的化學特征。在那之后,科學家們在一個包含 6000 種已知和命名化合物的數據庫中放松了他們的算法。


研究人員稱,AI算法找到了線索,發現一種名為halicin的分子。


研究人員表示,這種藥物之前曾被用于治療糖尿病,但在他們的測試中,這種藥物在多種細菌和病原體上立即取得了成功。它對人體細胞也相對無毒。(不幸的是,許多藥物至少有一點破壞性。)


Halicin的工作原理是破壞細胞平衡而細胞平衡是幫助細胞保持在一起的,這意味著它會從外部破壞細菌保持這種電磁平衡的能力,從而溶解細菌。


為什么能用人工智能算法“發現”新抗生素?(圖4)


Halicin的工作原理與傳統抗生素的工作原理不同,傳統抗生素的工作原理是通過物理方式破壞細胞。研究人員說,這種看似微小的機制差異可能就是為什么這種新分子可以殺死其他抗生素無法殺死的細菌的原因。

在實驗室中,該研究將 halicin 用于數十種細菌菌株,其中包括一些眾所周知的抗生素耐藥性:艱難梭菌、鮑曼不動桿菌和結核分枝桿菌。

這些分別是艱難梭菌,一種因喜劇演員蒂格·諾塔羅(Tig Notaro)與之戰斗而聞名的劇毒細菌感染;一個頑強的定植細菌家族,在 2017 年使得700人喪生,是世界上最古老的疾病之一,普通的老肺結核,又名“消費”。

Halicin 在培養皿型測試中對所有這三個物種都起作用,實際上殺死了他們測試的所有物種,除了一種困難的肺病原體。然后他們轉移到老鼠身上。


“為了測試 halicin 在活體動物中的有效性,研究人員用它來治療感染鮑曼不動桿菌的小鼠,這種細菌已經感染了許多駐扎在伊拉克和阿富汗的美國士兵。他們使用的鮑曼不動桿菌菌株對所有已知的抗生素都有抗藥性,但使用含哈利辛的軟膏可在 24 小時內完全清除感染,”麻省理工學院在聲明中說。

除了正在進行的halicin研究外,麻省理工學院的團隊還使用人工智能模型發現了23種其他可能具有抗生素能力的候選分子。


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