Met behulp van machine learning identificeerden onderzoekers bijna een miljoen (!) veelbelovende peptiden, waarvan sommige mogelijk doeltreffend afrekenen met soms zelfs dodelijke bacteriële infecties.
Antibioticaresistentie is een van de grootste gezondheidsproblemen van deze tijd. Veel bacteriën worden ongevoelig voor antibiotica, waardoor deze medicijnen niet langer effectief zijn. En dat eist levens. “Dit is een van de belangrijkste bedreigingen voor de volksgezondheid, met als gevolg dat jaarlijks 1,27 miljoen mensen overlijden,” zegt onderzoeker Luis Coelho. Als er geen actie wordt ondernomen, wordt verwacht dat antibioticaresistentie tegen 2050 tot wel 10 miljoen sterfgevallen per jaar zou kunnen leiden. En om dat te voorkomen, schakelen onderzoekers nu de hulp in van… AI.
Nieuwe antibiotica
Antibioticaresistentie is een groot probleem aan het worden en zal – als er niets gebeurt – in de toekomst dus talloze slachtoffers gaan eisen. Ondanks de dringende behoefte aan nieuwe antibiotica worden er echter maar weinig nieuwe soorten ontdekt, met slechts drie nieuwe klassen in de afgelopen vijftig jaar. Onderzoekers zoeken met name naar nieuwe antibiotica in de natuur. Bacteriën, die overal op onze planeet voorkomen, hebben een breed scala aan antibacteriële afweermechanismen ontwikkeld, vaak in de vorm van korte eiwitten, ook wel peptiden genoemd, die de membranen van bacteriële cellen en andere belangrijke structuren kunnen verstoren. De toenemende dreiging van antibioticaresistentie benadrukt nu de dringende noodzaak voor het vinden van nieuwe antimicrobiële verbindingen.
Zoeken naar naald in een hooiberg
Toch is het vinden van nieuwe antibiotica niet zo eenvoudig. Het leeuwendeel is ontdekt vanaf het midden van de jaren ’40 tot begin jaren ’70. In deze periode zijn veel natuurlijke antibiotica gevonden – dikwijls antibacteriële stoffen die voorkomen in de bodem – die relatief eenvoudig bewerkt konden worden tot geneesmiddel. Mede omdat de ontwikkeling moeilijker werd, begon de farmaceutische industrie zich meer te richten op de bestrijding van andere ziekten zoals kanker. Kortom, de ‘makkelijk te vinden’ antibiotica zijn allemaal in de jaren vijftig en zestig ontdekt. Tegenwoordig is het echter een stuk lastiger om nieuwe antibiotica te vinden en te ontwikkelen. “We hebben dringend nieuwe methoden nodig om antibiotica te ontdekken,” stelt Coelho.
AI
En dat is Coelho en zijn team nu gelukt. Onderzoekers hebben namelijk een nieuw, veelbelovend wapen in de strijd tegen antibioticaresistentie gevonden: kunstmatige intelligentie. In een nieuw onderzoek, gepubliceerd in Cell, leggen de wetenschappers uit hoe ze machine learning hebben ingezet om antibiotica te ontdekken in een enorme dataset met genoomgegevens van tienduizenden bacteriën en andere eenvoudige organismen. Heel concreet heeft het team met behulp van AI meerdere openbare databases doorzocht die microbiële genomische gegevens bevatten. Ze analyseerden 87.920 genomen van specifieke microben en 63.410 verzamelingen van microbiële genomen, ook wel ‘metagenomen’ genoemd, uit monsters afkomstig van verschillende omgevingen.
Bijna een miljoen
En dat AI een enorme troef is, blijkt uit de bevindingen. Zo troffen de onderzoekers met behulp van machine learning bijna een miljoen potentiële antimicrobiële peptiden (kleine moleculen die infectieuze microben kunnen doden of hun groei kunnen remmen) aan. Van die peptiden lieten enkele tientallen veelbelovende resultaten zien in eerste tests tegen ziekteverwekkende bacteriën. “Bij de eerste test doodden 63 van de 100 kandidaten minstens één van de geteste bacteriën en soms zelfs meerdere,” vertelt mede-auteur César de la Fuente. “In sommige gevallen waren deze moleculen zelfs effectief tegen bacteriën bij een zeer lage doses.” In preklinische diermodellen vertoonden enkele van deze krachtige verbindingen tevens veelbelovende resultaten door infecties succesvol te stoppen. Behandeling met deze peptiden leverden bovendien vergelijkbare resultaten op als polymyxine B, een commercieel verkrijgbaar antibioticum dat wordt gebruikt voor de behandeling van aandoeningen zoals meningitis, longontsteking, sepsis en urineweginfecties.
Microben
De verbindingen die werden geïdentificeerd, werden gevonden in microben die in verschillende leefgebieden voorkomen. Denk aan menselijk speeksel, varkensdarmen, bodem en planten, koraalriffen, en verschillende andere land- en zeeorganismen. Dit benadrukt de alomvattende aanpak van de onderzoekers bij het verkennen van biologische gegevens wereldwijd.
Werkelijkheid
De onderzoekers zijn enthousiast. “De integratie van AI in het ontdekken van antibiotica is geen toekomstmuziek meer; het is al werkelijkheid geworden en heeft onze capaciteit om nieuwe potentiële geneesmiddelen te vinden enorm versneld,” onderstreept De la Fuente. “Wat voorheen jaren in beslag nam, kan nu binnen enkele uren worden volbracht met behulp van computers.”
Met deze studie laten de onderzoekers zien hoe effectief AI is in het vinden van nieuwe medicijnen die korte metten maken met bacteriële infecties. Volgens hen markeert hun studie zelfs het begin van een hoopvol nieuw tijdperk in de ontdekking van meer antibiotica.
