Sử dụng trí tuệ nhân tạo được gọi là học sâu, các nhà nghiên cứu của MIT đã phát hiện ra một loại hợp chất có thể tiêu diệt loại vi khuẩn kháng thuốc gây ra hơn 10.000 ca tử vong ở Hoa Kỳ mỗi năm.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất này có thể tiêu diệt vi khuẩn tụ cầu Staphylococcus Aureus (MRSA) kháng methicillin được nuôi trong thí nghiệm và trên hai mô hình chuột nhiễm MRSA. Các hợp chất này cũng cho thấy độc tính rất thấp đối với tế bào người, khiến chúng trở thành một loại thuốc đặc biệt tốt.

Điểm đổi mới quan trọng của nghiên cứu mới là các nhà nghiên cứu cũng có thể tìm ra thông tin mà mô hình học sâu đang sử dụng để đưa ra dự đoán về hiệu lực kháng sinh của vi khuẩn. Kiến thức này có thể giúp các nhà nghiên cứu tạo ra các loại thuốc bổ sung có thể có tác dụng tốt hơn những loại thuốc được mô hình xác định.

Dự đoán có thể giải thích được

Vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA lây nhiễm cho hơn 80.000 người ở Hoa Kỳ mỗi năm, thường gây nhiễm trùng da hoặc viêm phổi. Trường hợp nặng có thể dẫn đến nhiễm trùng huyết, nhiễm trùng máu có khả năng gây tử vong.

Trong nhiều năm qua, Collins và các đồng nghiệp của ông tại Phòng khám Abdul Latif Jameel về Học máy trong Y tế (Jameel Clinic) của MIT đã bắt đầu sử dụng học sâu để tìm ra loại kháng sinh mới. Công việc của họ đã mang lại những loại thuốc tiềm năng chống lại vi khuẩn Acinetobacter baumannii, ở bệnh viện và nhiều loại vi khuẩn kháng thuốc khác.

Các hợp chất này được xác định bằng cách sử dụng mô hình học sâu có thể học cách xác định các cấu trúc hóa học có liên quan đến hoạt động kháng khuẩn. Mô hình này sau đó sàng lọc hàng triệu hợp chất khác, đưa ra dự đoán những hợp chất nào có thể có hoạt tính kháng khuẩn mạnh.

Kiểu tìm kiếm này đã được chứng minh là có kết quả, nhưng một hạn chế của phương pháp này là mô hình là “hộp đen”, nghĩa là không có cách nào biết mô hình dựa trên những đặc điểm nào để dự đoán. Nếu các nhà khoa học biết cách mô hình đưa ra dự đoán thì họ có thể dễ dàng xác định hoặc cho ra các loại kháng sinh bổ sung.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đào tạo mô hình học sâu bằng cách sử dụng các bộ dữ liệu được mở rộng đáng kể. Họ tạo ra dữ liệu huấn luyện này bằng cách thử nghiệm khoảng 39.000 hợp chất về hoạt tính kháng sinh chống lại vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA, sau đó đưa dữ liệu này cùng với thông tin cấu trúc hóa học của các hợp chất vào mô hình.

Để tìm hiểu cách mô hình đưa ra dự đoán, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh một thuật toán có tên là tìm kiếm cây Monte Carlo, được sử dụng để tạo ra mô hình học sâu khác. Thuật toán tìm kiếm này cho phép mô hình không chỉ đưa ra ước tính về hoạt tính kháng khuẩn của từng phân tử mà còn đưa ra dự đoán về cấu trúc con nào của phân tử có khả năng chịu trách nhiệm cho hoạt động đó.

Hoạt động mạnh mẽ

Để thu hẹp hơn nữa nhóm thuốc ứng cử viên, các nhà nghiên cứu đã đào tạo thêm ba mô hình học sâu để dự đoán xem các hợp chất này có độc hại đối với ba loại tế bào khác nhau ở người hay không. Bằng cách kết hợp thông tin này với các dự đoán về hoạt động kháng khuẩn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các hợp chất có thể tiêu diệt vi khuẩn trong khi có tác dụng phụ tối thiểu đối với cơ thể người.

Sử dụng bộ sưu tập mô hình này, các nhà nghiên cứu đã sàng lọc khoảng 12 triệu hợp chất, tất cả đều có trên thị trường. Từ bộ sưu tập này, mô hình đã xác định các hợp chất từ ​​năm loại khác nhau, dựa trên cấu trúc hóa học bên trong các phân tử, được dự đoán là có hoạt tính chống lại vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA.

Các nhà nghiên cứu đã mua khoảng 280 hợp chất và thử nghiệm chúng chống lại MRSA phát triển trong thí nghiệm, cho phép họ xác định hai loại, cùng loại, dường như là những ứng cử viên kháng sinh rất hứa hẹn. Trong các thử nghiệm trên hai mô hình chuột, một mô hình nhiễm trùng da do vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA và một mô hình nhiễm trùng toàn thân do vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA, mỗi hợp chất đó đã làm giảm quần thể vi khuẩn tụ cầu vàng MRSA xuống 10 lần.

Các thí nghiệm cho thấy các hợp chất này dường như tiêu diệt vi khuẩn bằng cách phá vỡ khả năng duy trì độ dốc điện hóa trên màng tế bào của chúng. Độ dốc này cần thiết cho nhiều chức năng quan trọng của tế bào, bao gồm khả năng tạo ra ATP (các phân tử mà tế bào sử dụng để lưu trữ năng lượng). Một loại kháng sinh tiềm năng mà phòng thí nghiệm của Collins phát hiện vào năm 2020, halicin, dường như hoạt động theo cơ chế tương tự nhưng đặc hiệu với vi khuẩn gram âm (vi khuẩn có thành tế bào mỏng). MRSA là một loại vi khuẩn gram dương, có thành tế bào dày hơn.