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【研究報(bào)告 | 人工智能行業(yè)研究報(bào)告】

據(jù)《自然》報(bào)道，一項(xiàng)開創(chuàng)性的機(jī)器學(xué)習(xí)方法從1億多個(gè)分子中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)大的新型抗生素。這項(xiàng)研究由美國(guó)麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家Jim Collins領(lǐng)銜，相關(guān)成果日前發(fā)表在《細(xì)胞》上。

研究人員表示，這種被稱為halicin的抗生素是人工智能（AI）首次發(fā)現(xiàn)的。盡管在之前的抗生素研發(fā)中，AI曾協(xié)助其中的某些部分，但這一次是AI首次從零開始識(shí)別出全新種類的抗生素，且沒有使用任何人類先前的假設(shè)。

“這項(xiàng)研究意義非凡。研究小組不僅確定了候選分子，還在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了有希望的分子。”匹茲堡大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家Jacob Durrant說，“更重要的是，這種深度學(xué)習(xí)方法也可以用于其他類型藥物的研發(fā)，如治療癌癥或神經(jīng)退行性疾病的藥物。”

細(xì)菌耐藥性是全球性難題，科學(xué)家預(yù)測(cè)，除非緊急開發(fā)新藥物，否則到2050年，“超級(jí)細(xì)菌”可能導(dǎo)致每年1000萬人死亡。但在過去的幾十年里，新抗生素的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管審批都有所放緩。“人們不斷地發(fā)現(xiàn)同樣的分子。”Collins說，“我們需要有新作用機(jī)制的新化學(xué)反應(yīng)。”

Collins及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——一種受大腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)的人工智能算法，逐個(gè)地學(xué)習(xí)分子的特性。

研究人員利用抗菌活性已知的2335個(gè)抗菌分子，訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別抑制大腸桿菌生長(zhǎng)的分子。麻省理工學(xué)院AI研究員、研究合作者Regina Barzilay表示，該算法學(xué)會(huì)了在不假設(shè)藥物作用方式和不標(biāo)記化學(xué)基團(tuán)的情況下預(yù)測(cè)分子功能，“因此，該模型可以學(xué)習(xí)人類專家不知道的新模式”。

模型被訓(xùn)練后，研究人員用它對(duì)一個(gè)名為藥物再利用中心的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行篩選。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了大約6000個(gè)正在被研究的人類疾病分子。他們要求模型預(yù)測(cè)哪一種分子對(duì)付大腸桿菌有效，并且只展示看起來與傳統(tǒng)抗生素不同的分子。

研究人員從篩選結(jié)果中選擇了大約100個(gè)候選分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中一種被用作糖尿病治療的分子被證明是一種有效的抗生素。研究人員以電影《2001太空漫游》中的智能電腦HAL的名字將其命名為halicin。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，halicin對(duì)多種病原體——如具有廣泛耐藥性的鮑曼不動(dòng)桿菌均有抗菌活性。

抗生素通過一系列機(jī)制發(fā)揮作用，如阻斷參與細(xì)胞壁生物合成、DNA修復(fù)或蛋白質(zhì)合成的酶。但halicin的作用機(jī)制是不一樣的，它破壞質(zhì)子在細(xì)胞膜上的流動(dòng)。“在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)其他抗生素化合物的耐藥性通常在一兩天內(nèi)出現(xiàn)。”Collins說，“但即使經(jīng)過30天的檢測(cè)，我們也沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)菌對(duì)halicin有任何耐藥性。”

之后，研究團(tuán)隊(duì)又在一個(gè)名為ZINC15的數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選了超過1.07億個(gè)分子結(jié)構(gòu)，并在23個(gè)候選分子中確認(rèn)了8個(gè)具有抗菌活性。其中有兩種對(duì)多種病原體都有很強(qiáng)的活性，甚至可以戰(zhàn)勝對(duì)抗生素有耐藥性的大腸桿菌菌株。

卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家Bob Murphy說，這項(xiàng)研究是“利用計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)潛在藥物特性的一個(gè)很好的例子”。他指出，AI方法之前已經(jīng)被用于挖掘基因和代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)，以識(shí)別可能包括新型抗生素在內(nèi)的分子類型。

但是 Collins及其團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，他們的方法是不同的——不是搜索特定的結(jié)構(gòu)或分子類別，而是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找具有特定活性的分子。接下來，該團(tuán)隊(duì)希望與其他團(tuán)隊(duì)或公司合作，對(duì)halicin進(jìn)行臨床試驗(yàn)，同時(shí)他們想拓展這一方法，以發(fā)現(xiàn)更多新的抗生素。

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者：文樂樂