AI tạo sinh hỗ trợ nghiên cứu hoạt chất tiêu diệt vi khuẩn kháng thuốc

Với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo, các nhà nghiên cứu MIT đã thiết kế những kháng sinh mới có thể chống lại hai loại nhiễm khuẩn khó điều trị: Neisseria gonorrhoeae kháng thuốc và Staphylococcus aureus kháng đa thuốc (MRSA).

Sử dụng các thuật toán AI tạo sinh, nhóm nghiên cứu đã thiết kế hơn 36 triệu hợp chất khả dĩ và sàng lọc bằng tính toán để đánh giá đặc tính kháng khuẩn. Các ứng viên hàng đầu có cấu trúc khác biệt hoàn toàn so với mọi kháng sinh hiện có, và dường như hoạt động theo cơ chế mới, phá vỡ màng tế bào vi khuẩn.

Cách tiếp cận này cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra và đánh giá những hợp chất lý thuyết chưa từng được biết tới - một chiến lược mà họ kỳ vọng có thể áp dụng để nhận diện và thiết kế hợp chất có hoạt tính với các loài vi khuẩn khác.

“Chúng tôi rất hào hứng với những khả năng mới mà dự án này mở ra cho phát triển kháng sinh. Công trình của chúng tôi cho thấy sức mạnh của AI trong góc độ thiết kế thuốc, và cho phép khai thác các “không gian hóa học” lớn hơn”, GS. James Collins, Chủ tịch Termeer về Kỹ thuật và Khoa học Y sinh tại Viện Kỹ thuật và Khoa học Y sinh (IMES) của MIT và Khoa Kỹ thuật Sinh học, tác giả cao cấp của nghiên cứu, cho biết.

Khai phá “không gian hóa học”

Trong 45 năm qua, chỉ vài chục kháng sinh mới được FDA phê duyệt, nhưng phần lớn là biến thể của thuốc sẵn có. Cùng lúc đó, tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn với nhiều loại thuốc này ngày càng gia tăng. Ước tính trên toàn cầu, các nhiễm khuẩn do vi khuẩn kháng thuốc gây ra gần 5 triệu ca tử vong mỗi năm.

Với kỳ vọng tìm ra kháng sinh mới để đối phó vấn đề ngày càng lớn này, Collins và các đồng nghiệp trong Dự án Antibiotics-AI của MIT đã tận dụng AI để sàng lọc các thư viện hợp chất hóa học có sẵn khổng lồ. Công việc đó đã đem lại một số ứng viên đầy hứa hẹn, bao gồm halicin và abaucin.

Để tiếp nối tiến bộ ấy, Collins và cộng sự quyết định mở rộng phạm vi tìm kiếm sang những phân tử không có trong bất kỳ thư viện hóa chất nào. Bằng cách dùng AI tạo ra các phân tử có thể tồn tại về mặt lý thuyết nhưng chưa hề tồn tại hay chưa được phát hiện, họ nhận ra có thể khám phá một phổ đa dạng hơn nhiều của các hợp chất tiềm năng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học sử dụng hai cách tiếp cận: (1) yêu cầu các thuật toán AI tạo sinh thiết kế phân tử dựa trên một mảnh hóa học (fragment) cụ thể có hoạt tính kháng khuẩn; và (2) để thuật toán tự do tạo phân tử, không cần chứa mảnh cụ thể nào.

Thiết kế không ràng buộc

Trong loạt nghiên cứu thứ hai, nhóm khảo sát tiềm năng để AI tạo sinh tự do thiết kế phân tử, với vi khuẩn Gram dương S. aureus làm mục tiêu.

Một lần nữa, các nhà nghiên cứu dùng CReM và VAE để tạo phân tử, nhưng lần này không áp đặt ràng buộc nào ngoài những quy tắc chung về khả năng hình thành phân tử hợp lý (plausible) về mặt hóa học. Tổng cộng, các mô hình tạo ra hơn 29 triệu hợp chất. Nhóm áp dụng các bộ lọc tương tự như với N. gonorrhoeae nhưng tập trung cho S. aureus, cuối cùng thu hẹp còn khoảng 90 hợp chất.

Phare Bio, một tổ chức phi lợi nhuận cũng thuộc Dự án Antibiotics-AI, hiện đang nghiên cứu chỉnh sửa thêm NG1 và DN1 để đưa chúng phù hợp với các thử nghiệm tiếp theo.

“Trong hợp tác với Phare Bio, chúng tôi đang khám phá các analog (biến thể cấu trúc), đồng thời thúc đẩy các ứng viên tốt nhất qua giai đoạn tiền lâm sàng thông qua công việc hóa dược,” Collins nói. “Chúng tôi cũng hào hứng áp dụng các nền tảng mà Aarti và nhóm đã phát triển cho các mầm bệnh khác đáng quan tâm, đáng chú ý là Mycobacterium tuberculosis và Pseudomonas aeruginosa.”

(Theo MIT News)