Krankheitserreger sind durchaus anpassungsfähig, und ihre Fähigkeit, sich gegen Antibiotika zu schützen, stellt zunehmend ein Problem für die öffentliche Gesundheit dar. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Los Alamos National Laboratory hat maschinelles Lernen, eine Anwendung künstlicher Intelligenz, genutzt, um molekulare Eigenschaften zu identifizieren, die die Entdeckung neuer Arten von Antibiotika leiten könnten, insbesondere bei Krankheitserregern, die von der Weltgesundheitsorganisation aufgrund ihres hohen Bakteriengehalts als kritisch eingestuft werden Widerstand.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Kommunikationschemie.
„Einige Krankheitserreger haben Eigenschaften, die sie sehr wirksam gegen Antibiotika wirken lassen“, sagte Gnana Gnanakaran, Wissenschaftlerin in Los Alamos. „Die Entdeckung spezifischer Verbindungen, die in der Lage sind, einige Krankheitserreger zu durchdringen und zu hemmen, ist aufgrund der enormen Heterogenität und Tiefe des chemischen Raums und der Komplexität der molekularen Wechselwirkungen über Bakterienmembranen hinweg eine Herausforderung im Heuhaufen. Der Ansatz, den wir verwenden.“ ist in der Lage, die bakterienspezifischen Profile auf molekularer Ebene zu untersuchen, die für eine erfolgreiche Arzneimittelentwicklung erforderlich sind.“
Bakterielle Abwehr gegen Antibiotika
Gramnegative Bakterien haben eine Außenmembran, die weniger durchlässig für Verbindungen ist, die zum Beispiel in Antibiotika enthalten sind, und die Bakterien können auch Verbindungen ausstoßen, die zufällig in das Innere gelangen, wodurch die Wirksamkeit eines Antibiotikums verringert wird.
Datengesteuerte Modelle haben das Potenzial, molekulare Eigenschaften zu identifizieren, die solche bakteriellen Abwehrmechanismen überwinden könnten. Genaue Berechnungen zur Durchführung dieser Bestimmungen sind jedoch eine Herausforderung und erfordern umfangreiche Rechenressourcen. Chemisch unterschiedliche Verbindungen können viele relevante Eigenschaften aufweisen; Die auf maschinellem Lernen basierende Studie reduzierte das relevante Spektrum dieser Eigenschaften und stellte empirische Regeln auf, die die Fähigkeit der Verbindung vorhersagen würden, die äußere Membran der Bakterien zu durchdringen.
Modell des maschinellen Lernens identifiziert Eigenschaften zur Bekämpfung von Krankheitserregern
Das Forschungsteam konzentrierte sich speziell auf das gramnegative Bakterium Pseudomonas aeruginosa und entwickelte ein Modell für maschinelles Lernen, um die mit Verbindungen verbundenen relevanten Deskriptoren zu identifizieren und den Erfolg dieser Verbindungen bei der Durchdringung der Außenmembranen der Bakterien und der Vermeidung ihrer Ausstoßung vorherzusagen. Das Team stützte sich auf Hochleistungsrechnerkapazitäten in Los Alamos, um die molekularen Eigenschaften der Permeation aus Simulationen zu extrahieren, die 1.260 chemisch unterschiedliche Verbindungen beim Durchqueren der Bakterienmembran berücksichtigten.
Ihre Analyse wirft ein neues Licht auf die Schlüsseleigenschaften, die Arzneimittelkandidaten benötigen, um Pseudomonas aeruginosa effektiv zu durchdringen, und öffnet den Weg zu ähnlichen datengesteuerten Studien bei anderen gramnegativen Krankheitserregern.
„Die Techniken des maschinellen Lernens, die wir in dieser Analyse eingesetzt haben, deuten auf einen vielversprechenden Ansatz für ähnliche datengesteuerte Studien an anderen biologischen Membranen, einschließlich der Blut-Hirn-Schranke, hin“, sagte Gnanakaran.
Mehr Informationen:
Pedro D. Manrique et al., Vorhersage der Permeation von Verbindungen durch die äußere Membran von P. aeruginosa mithilfe molekularer Deskriptoren, Kommunikationschemie (2024). DOI: 10.1038/s42004-024-01161-y