Ученые утверждают, что воскрешение вымерших молекул неандертальцев и шерстистых мамонтов может дать надежду в борьбе с супербактериями
Ученые утверждают, что воскрешение вымерших молекул неандертальцев и шерстистых мамонтов может дать надежду в борьбе с супербактериями
По данным Всемирной организации здравоохранения, сейчас как никогда остро стоит вопрос о выявлении возможных кандидатов, поскольку ежегодно население планеты сталкивается с почти 5 миллионами смертей, связанных с устойчивостью микроорганизмов.
Исследовательская группа под руководством пионера биоинженерии Сезара де ла Фуэнте использует вычислительные методы на основе искусственного интеллекта для сбора генетической информации у вымерших родственников человека, таких как неандертальцы, и давно исчезнувших существ ледникового периода, таких как шерстистый мамонт и гигантский ленивец.
По словам ученых, некоторые из выявленных ими небольших белковых, или пептидных, молекул обладают способностью бороться с бактериями и могут стать источником новых лекарств для борьбы с инфекциями у людей. Инновационная работа также открывает совершенно новый взгляд на открытие лекарств.
«Это позволило нам обнаружить новые последовательности, новые типы молекул, которые мы ранее не находили в живых организмах, расширив наши представления о молекулярном разнообразии», – говорит де ла Фуэнте, доцент Пенсильванского университета, где он возглавляет группу машинной биологии. «Современные бактерии никогда не сталкивались с этими молекулами, поэтому они могут дать нам больше возможностей для борьбы с патогенами, которые сегодня представляют проблему».
Может показаться, что этот подход появился не сразу, но эксперты говорят, что новые подходы к проблеме устойчивости к противомикробным препаратам – смертельно опасной и насущной проблеме для глобального здравоохранения – крайне необходимы.
«Мир столкнулся с кризисом устойчивости к антибиотикам. Я считаю, что для решения этой проблемы необходим подход с суши, моря и воздуха, и если нам нужно обратиться к прошлому, чтобы найти потенциальные решения для будущего, я только за», – сказал Майкл Мэхэн, профессор кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Он не принимал участия в исследовании.
Антибиотики и их альтернативы
Большинство антибиотиков происходит от бактерий и грибков и было открыто путем скрининга микроорганизмов, живущих в почве. Но в последние десятилетия патогены стали устойчивы ко многим из этих препаратов из-за их чрезмерного использования.
Ученые, ведущие глобальную борьбу с супержуками, изучают различные виды потенциального оружия, включая фаги, или вирусы, созданные природой для поедания бактерий.
Еще одним интересным направлением исследований являются антимикробные пептиды, или AMP, которые представляют собой молекулы для борьбы с инфекциями, вырабатываемые многими различными организмами – бактериями, грибами, растениями и животными, включая человека. По словам Мэхэна, AMP обладают широким спектром антимикробных свойств против различных патогенов, таких как вирусы, бактерии, дрожжи и грибки.
В то время как большинство традиционных антибиотиков действуют на одну мишень в клетке, антимикробные пептиды связываются с бактериальной мембраной и разрушают ее во многих местах, добавил он. Это более сложный механизм, который, следовательно, может сделать устойчивость к лекарствам менее вероятной, но, поскольку молекулы способны нарушать клеточные мембраны, это также может привести к повышенной токсичности, по словам Мэхэна.
В настоящее время в клинической практике используется несколько антибиотиков на основе пептидов, например колистин, который получают из AMP бактерий. По словам Мэхэна, он используется в качестве последнего средства для лечения некоторых бактериальных инфекций, поскольку может быть токсичным. Один человеческий AMP, известный как LL-37, также показал свой потенциал.
Другие перспективные AMP были найдены в неожиданных местах: в сосновых иголках и крови комодского дракона.
Момент «Парка Юрского периода
В течение последнего десятилетия де ла Фуэнте использовал вычислительные методы для оценки потенциала широкого спектра пептидов в качестве альтернативы антибиотикам. Идея обратить внимание на вымершие молекулы возникла во время мозгового штурма в лаборатории, когда был упомянут фильм-блокбастер «Парк Юрского периода».
«В фильме предлагалось воскресить целые организмы, и, очевидно, у них было много проблем», – говорит он. Его команда задумалась над более реалистичной идеей: «Почему бы не вернуть молекулы из прошлого?»
Благодаря достижениям в области извлечения древней ДНК из окаменелостей подробные библиотеки генетической информации о вымерших родственниках человека и давно исчезнувших животных стали общедоступными.
Чтобы найти ранее неизвестные пептиды, исследовательская группа обучила алгоритм искусственного интеллекта распознавать фрагментированные участки в человеческих белках, которые могут обладать антимикробной активностью. Затем ученые применили его к общедоступным последовательностям белков современных людей (Homo sapiens), неандертальцев (Homo neanderthalensis) и денисовцев, еще одного архаичного вида людей, близкородственного неандертальцам.
Затем исследователи использовали свойства ранее описанных антимикробных пептидов, чтобы предсказать, какие из их вновь выявленных древних аналогов обладают наибольшим потенциалом для уничтожения бактерий.
Затем исследователи синтезировали и протестировали 69 наиболее перспективных пептидов, чтобы проверить, способны ли они убивать бактерии в чашках Петри. Команда отобрала шесть наиболее эффективных – четыре от Homo sapiens, один от Homo neanderthalensis и один от Denisovans – и дала их мышам, зараженным бактерией Acinetobacter baumannii, распространенной причиной внутрибольничных инфекций у людей.
«Я думаю, что одним из самых захватывающих моментов был тот, когда мы воскрешали молекулы в лаборатории с помощью химии, а затем впервые возвращали их к жизни. С научной точки зрения это было очень здорово», – говорит де ла Фуэнте об исследовании, результаты которого были опубликованы в августе в научном журнале Cell Host & Microbe.
У зараженных мышей, у которых развился абсцесс кожи, пептиды активно убивали бактерии; у тех, у кого была инфекция бедра, лечение было менее эффективным, но все же останавливало рост бактерий.
«Лучшим (пептидом) оказался тот, который мы назвали Neanderthalien 1, происходящий от неандертальцев. И именно он оказался наиболее эффективным в мышиной модели», – сказал де ла Фуэнте.
Он предупредил, что ни один из пептидов не является «готовым антибиотиком» и потребует много доработок. Важнее, по его словам, основа и инструменты, разработанные его командой для выявления перспективных антимикробных молекул в прошлом.
В исследовании, результаты которого будут опубликованы в следующем году, де ла Фуэнте и его коллеги разработали новую модель глубокого обучения для изучения того, что он называет «вымершим организмом» – белковых последовательностей 208 вымерших организмов, для которых доступна подробная генетическая информация.
Команда обнаружила более 11 000 ранее неизвестных потенциальных антимикробных пептидов, уникальных для вымерших организмов, и синтезировала перспективные кандидаты из сибирского шерстистого мамонта, стеллеровой морской коровы (морского млекопитающего, которое было уничтожено в XVIII веке в результате арктической охоты), 10-футового (3‑метрового) дарвиновского наземного ленивца (Mylodon darwinii) и гигантского ирландского лося (Megaloceros giganteus). По его словам, обнаруженные ими пептиды проявили «отличную антиинфекционную активность» на мышах.
«Молекулярная деэкзистенция дает уникальную возможность бороться с устойчивостью к антибиотикам, воскрешая и используя силу молекул из прошлого», – сказал он.
Странный, но стоящий подход
Доктор Дмитрий Гиляров, руководитель группы из Центра Джона Иннеса в Великобритании, изучающий пептидные антибиотики, говорит, что настоящим узким местом в поисках новых антибиотиков является не отсутствие перспективных соединений, а привлечение фармацевтических компаний к разработке и клиническим испытаниям потенциальных пептидных антибиотиков, которые могут быть нестабильными и сложными в синтезе. Он не принимал участия в исследовании.
«Я не вижу непосредственной причины для изучения палеопротеомов. У нас уже… есть много таких пептидов», – сказал он. «На мой взгляд, нам действительно необходимо глубокое понимание основополагающих… принципов: что делает пептид биологически активным, чтобы иметь возможность разрабатывать их».
«Существует множество пептидных антибиотиков, которые не были разработаны и не нашли применения в промышленности из-за таких трудностей, как токсичность», – сказал Гиляров.
Согласно статье, опубликованной в мае 2021 года, из 10 000 перспективных соединений, выявленных исследователями, только один или два антибиотических препарата были одобрены Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США.
Доктор Моник ван Хоек, профессор и заместитель директора по исследованиям Школы системной биологии Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, сказала, что идея молекулярного вымирания – «действительно интересный подход». Она не принимала участия ни в одном из исследований.
Ван Хоек отметила, что редко когда найденный в природе пептид – будь то вымерший или из живого организма – напрямую приводит к созданию нового типа антибиотика или другого лекарства. Чаще, по ее словам, открытие нового пептида служит отправной точкой для исследователей, которые затем могут использовать вычислительные методы для доработки и оптимизации потенциала пептида как кандидата в лекарственные препараты.
В настоящее время исследования Ван Хоек сосредоточены на синтетическом пептиде, вдохновленном пептидом, найденным в естественных условиях у американского аллигатора. В настоящее время пептид проходит доклинические испытания.
«Пока все идет очень хорошо. И это радует, потому что многие другие пептиды, над которыми я работала на протяжении многих лет, не работают по тем или иным причинам», – говорит она.
Ван Хоек говорит, что, хотя поиск нового источника антибиотиков среди аллигаторов или вымерших людей может показаться странным, масштабы кризиса делают этот подход оправданным.
Де ла Фуэнте согласился. «Я думаю, что нам нужно как можно больше новых и разных подходов, и это увеличит наши шансы на успех», – сказал он.
«Я думаю, что мы можем найти много потенциально полезных решений, оглянувшись назад».
Читайте также:
- Чего ожидать от новой коалиции консерваторов в Гессене
- Как подорожает жизнь в Германии в 2024 году
- Как Германия планирует решить бюджетный кризис в 2024 году
Источник: edition.cnn.com
Читайте также:
Обсуждение
Самые последние новости
