今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志刊登了一篇來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的研究論文?？茖W(xué)家們通過(guò)一種深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，讓人工智能“慧眼識(shí)珠”，發(fā)現(xiàn)了一種潛在糖尿病藥物的抗菌潛力。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，這種全新的抗生素能有效殺死一種對(duì)已知所有抗生素都耐藥的超級(jí)細(xì)菌。這一重磅發(fā)現(xiàn)也登上了當(dāng)期《細(xì)胞》雜志的封面。

 

Image credit： Amanda Cicero， Luca Vallescura， Darryl “Moose” Norris， and Chris Sinclair

 

　　科學(xué)家們是怎么想到用人工智能來(lái)尋找新型抗生素的呢？在論文的開頭，他們介紹說(shuō)自青霉素誕生以來(lái)，抗生素已經(jīng)成為了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石之一。然而隨著抗生素的濫用，越來(lái)越多的細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生了耐藥性。不幸的是，過(guò)去許多抗生素都來(lái)自于土壤中的微生物，用開發(fā)傳統(tǒng)藥物的方式來(lái)開發(fā)抗生素并不容易。這也就不難理解，為何在過(guò)去的幾十年里，誕生的新型抗生素寥寥無(wú)幾，且結(jié)構(gòu)上與過(guò)去已有的抗生素大同小異。

 

　　為了改變這一困境，研究人員們開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)的模型。具體來(lái)看，這種模型能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)不同藥物分子里的結(jié)構(gòu)，不但可以掌握這些分子的不同位置是否存在特定的化學(xué)基團(tuán)，還能夠預(yù)測(cè)這些分子的特性。

 

▲本研究的圖示（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

 

　　隨后，研究人員們給這種模型提供了2335個(gè)用于“學(xué)習(xí)”的不同分子，這些分子中有美國(guó)FDA已經(jīng)批準(zhǔn)的藥物，也有不少具有廣泛生物活性的天然分子。研究人員們希望在訓(xùn)練之后，這種模型能夠?qū)W會(huì)識(shí)別能有效殺死大腸桿菌的藥物。

 

　　訓(xùn)練完畢后，是檢驗(yàn)這套機(jī)器學(xué)習(xí)模型學(xué)習(xí)能力的時(shí)候了。研究人員們使用Broad研究所的一個(gè)化合物庫(kù)，讓這套模型從其中6111個(gè)分子里，尋找具有潛在抗菌潛力的分子。從中，這種模型認(rèn)為一個(gè)分子具有很強(qiáng)的抗菌活性。有意思的是，這種分子原先是作為一種糖尿病藥物而開發(fā)出來(lái)的，在結(jié)構(gòu)上和已有的任何一種抗生素都明顯不同。后續(xù)的一些研究，也表明該分子對(duì)人類細(xì)胞的毒性較低。

 

　　據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞透露，研究人員們致敬經(jīng)典科幻片《2001太空漫游》（2001： A Space Odyssey），將該分子命名為halicin（電影里的人工智能系統(tǒng)叫做HAL 9000）。隨后，他們?cè)谂囵B(yǎng)皿里測(cè)試了halicin對(duì)多種耐藥菌的殺菌效果，而結(jié)果令人欣喜！除了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，一種難治的肺部病原體）之外，halicin對(duì)所有測(cè)試的耐藥菌都有殺傷作用。

 

▲除了銅綠假單胞菌（藍(lán)色）外，halicin在測(cè)試的幾種耐藥菌里，顯示了良好的廣譜抗菌活性（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

 

　　當(dāng)然，培養(yǎng)皿中的結(jié)果，還不能代表活體動(dòng)物上的抗菌療效。于是，研究人員們又讓小鼠感染上了一種超級(jí)耐藥的鮑氏不動(dòng)桿菌（A。 baumannii）。同樣據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞介紹，這種超級(jí)細(xì)菌能耐受已知所有的抗生素！而halicin再次顯現(xiàn)出了神奇的效果——含有halicin的軟膏在24小時(shí)內(nèi)，就徹底清除了感染。

 

　　基于以上這些結(jié)果，研究人員們指出，halicin具有廣譜的抗菌活性。而從機(jī)理上看，這是因?yàn)樗芨蓴_細(xì)菌，不讓它們形成跨膜的電化學(xué)梯度。一般情況下，這種電化學(xué)梯度能協(xié)助細(xì)菌產(chǎn)生能量。如果沒(méi)有這種梯度，細(xì)菌就會(huì)死亡。研究人員們也提到，重塑電化學(xué)梯度的過(guò)程非常復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單的幾個(gè)突變就能完成的，因此這也最大程度上杜絕了耐藥性的產(chǎn)生。

 

　　利用這套系統(tǒng)，研究人員們進(jìn)一步在另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里篩選了數(shù)億個(gè)分子，并從中找到了23個(gè)與現(xiàn)有抗生素結(jié)構(gòu)迥異，且對(duì)人類細(xì)胞無(wú)毒性的潛在抗菌分子。這一篩選過(guò)程，只用了短短的3天時(shí)間。后續(xù)的研究也表明，其中8個(gè)分子的確有抗細(xì)菌的活性，2個(gè)分子的活性尤其強(qiáng)?？茖W(xué)家們也計(jì)劃繼續(xù)對(duì)這些分子進(jìn)行研究和評(píng)估。

 

　　正如一些科學(xué)家所言，這項(xiàng)突破性的研究是抗生素藥物研發(fā)的一個(gè)范式改變，有望提高我們發(fā)現(xiàn)新型抗生素的效率，給我們帶來(lái)更多抗擊超級(jí)細(xì)菌的武器。