Mit KI „Neandertaler-Antibiotika“ zurückbringen

Die Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien

Da es laut WHO weltweit jedes Jahr fast fünf Millionen Todesfälle aufgrund antibiotikaresistenter Bakterien gibt, ist es äußerst dringend, potenzielle Medikamente zur Bewältigung dieser Situation zu finden.

Nun nutzt ein Team unter der Leitung des Biotechnologie-Pioniers César de la Fuente computergestützte Methoden auf Basis künstlicher Intelligenz (KI), um genetische Merkmale ausgestorbener menschlicher Verwandter wie Neandertaler zu ermitteln und deren Antibiotika 40.000 Jahre zurück zu bringen.

Modell der ausgestorbenen Neandertalerart. Foto: Getty

Durch Forschung haben Wissenschaftler eine Reihe kleiner Protein- oder Peptidmoleküle entdeckt, die Bakterien bekämpfen können. Dies könnte den Weg für neue Medikamente zur Bekämpfung von Infektionen beim Menschen ebnen.

Antibiotika (wie Penicillin) werden auf natürliche Weise (von einem anderen antimikrobiellen Mikroorganismus) produziert, während nicht-antibiotische antibakterielle Mittel (wie Sulfonamide und Antiseptika) vollständig synthetisch sind.

Beide haben jedoch das gleiche Ziel, nämlich das Abtöten oder das Verhindern des Wachstums von Mikroorganismen, und beide fallen unter den Oberbegriff der antimikrobiellen Chemotherapie. Zu den antibakteriellen Mitteln zählen Antiseptika, antibakterielle Seifen und chemische Reinigungsmittel. Antibiotika hingegen sind die speziellere Art von antibakteriellen Mitteln, die in der Medizin und manchmal in Tierfutter verwendet werden.

Antibiotika wirken nicht gegen Viren, die Krankheiten wie Erkältungen oder Grippe verursachen. Medikamente, die Viren hemmen, heißen daher antivirale Mittel oder Virostatika und nicht Antibiotika.

„Es ermöglicht uns, neue Sequenzen und Molekültypen zu entdecken , die in lebenden Organismen noch nie beobachtet wurden. Das eröffnet uns die Möglichkeit, umfassender über molekulare Vielfalt nachzudenken“, sagte Dr. Cesar de la Fuente von der University of Pennsylvania (USA), der das Forschungsteam leitete. „Die heutigen Bakterien waren diesen neuen Molekülen noch nie ausgesetzt, daher könnte dies eine gute Gelegenheit sein, mit den heute schwer behandelbaren Krankheitserregern umzugehen.“

Experten halten neue Erkenntnisse über antibiotikaresistente Bakterien für dringend erforderlich. „Die Welt steht vor einer Antibiotikaresistenzkrise … Wenn wir in der Zeit zurückreisen müssen, um mögliche Lösungen für die Zukunft zu finden, bin ich voll und ganz dafür“, sagte Michael Mahan, Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie an der University of California in Berkeley.

Anregungen aus „Jurassic Park“

Die meisten Antibiotika stammen von Bakterien und Pilzen, die durch Untersuchungen an im Boden lebenden Mikroben entdeckt wurden. Doch in den letzten Jahrzehnten hat der übermäßige Einsatz von Antibiotika dazu geführt, dass Krankheitserreger Resistenzen entwickelt haben.

In den letzten zehn Jahren hat De la Fuente mithilfe von Computermethoden das Potenzial verschiedener Peptide als Antibiotika-Alternativen bewertet. Eines Tages kam im Labor der Blockbuster „Jurassic Park“ zur Sprache und brachte das Team auf die Idee, ausgestorbene Moleküle zu untersuchen. „Warum nicht Moleküle aus der Vergangenheit zurückbringen?“, fragte er.

Um bisher unbekannte Peptide zu finden, trainierte das Team einen KI-Algorithmus, der fragmentierte Stellen in menschlichen Proteinen erkennt, die möglicherweise antibakteriell wirken. Anschließend wendeten die Wissenschaftler den Algorithmus auf öffentlich zugängliche Proteinsequenzen von Homo sapiens, Neandertalern und Denisova-Menschen an, einer weiteren archaischen Menschenart, die eng mit dem Neandertaler verwandt ist.

Anschließend nutzte das Team die Eigenschaften früherer antibakterieller Peptide, um vorherzusagen, welche alten Peptide Bakterien am wahrscheinlichsten abtöten.

Anschließend synthetisierte und testete das Team die 69 vielversprechendsten Peptide, um zu sehen, ob sie Bakterien abtöten konnten. Das Team wählte die sechs wirksamsten aus, darunter vier vom modernen Menschen, eines vom Neandertaler und eines vom Denisova-Menschen.

Das Team setzte sie Mäusen aus, die mit dem Bakterium Acinetobacter baumannii infiziert waren, einem häufigen Erreger von Krankenhausinfektionen beim Menschen. (Eine Krankenhausinfektion ist eine Infektion, die sich ein Patient während eines Krankenhausaufenthalts zuzieht und die bei der Aufnahme noch nicht vorhanden war.)

Von den sechs vom Algorithmus ausgewählten Peptiden war eines vom Neandertaler am wirksamsten bei der Bekämpfung von Krankheitserregern in bakteriell infizierten Mäusen, sagt der Biotechnologie-Pionier César de la Fuente von der University of Pennsylvania. (Foto: University of Pennsylvania)

„Ich denke, einer der aufregendsten Momente war, als wir im Labor Moleküle chemisch rekonstruiert und sie dann zum ersten Mal wieder zum Leben erweckt haben. Aus wissenschaftlicher Sicht war es erstaunlich, das zu sehen“, sagte De la Fuente.

Bei Mäusen mit Hautabszessen töteten die Peptide aktiv Bakterien ab; bei Mäusen mit Oberschenkelinfektionen waren die Peptide weniger wirksam, verhinderten aber immer noch das Bakterienwachstum.

„Das beste Peptid war das, was wir Neandertaler 1 nennen, vom Neandertaler, und das war das Peptid, das bei Mäusen am besten funktionierte“, sagte De la Fuente.

Weitere Forschung ist nötig

Herr De la Fuente betonte jedoch, dass keines der Peptide „bereit für den Einsatz als Antibiotika“ sei und vielmehr noch viel Feinabstimmung erforderlich sei. In einer Studie, die nächstes Jahr veröffentlicht werden soll, entwickelten er und seine Kollegen ein neues Deep-Learning-Modell, um die Proteinsequenzen von 208 ausgestorbenen Organismen zu untersuchen, für die detaillierte genetische Informationen verfügbar waren.

Das Team fand mehr als 11.000 bisher unentdeckte potenziell antimikrobielle Peptide, die nur in ausgestorbenen Lebewesen vorkommen. Die vielversprechendsten Peptide synthetisierte es aus dem sibirischen Wollhaarmammut, der Stellerschen Seekuh (einem Meeressäugetier, das im 18. Jahrhundert aufgrund der Jagd in der Arktis ausgestorben ist), dem Riesenfaultier und dem Irischen Riesenelch (Megaloceros giganteus). Er sagte, die neu entdeckten Peptide hätten bei Mäusen eine „hervorragende antiinfektiöse Wirkung“.

Dr. Dmitry Ghilarov, Gruppenleiter am John Innes Centre in Großbritannien, erklärte, das Problem bei der Suche nach neuen Antibiotika liege darin, dass diese instabil und schwer zu synthetisieren seien. „Viele dieser Peptid-Antibiotika werden von der Industrie aufgrund von Problemen wie Toxizität nicht weiterentwickelt“, so Ghilarov.

Von den 10.000 vielversprechenden Verbindungen, die die Forscher identifiziert haben, haben laut einem im Mai 2021 veröffentlichten Artikel nur ein oder zwei Antibiotika die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration erhalten.

Dr. Monique van Hoek, Professorin und stellvertretende Forschungsleiterin an der School of Systems Biology der George Mason University (USA), sagte, es komme sehr selten vor, dass aus einem in der Natur vorkommenden Peptid direkt ein neues Medikament oder ein anderes neues Antibiotikum hervorgehe.

Die Entdeckung eines neuen Peptids wird den Forschern laut Van Hoek die Möglichkeit geben, mithilfe computergestützter Techniken das Potenzial des Peptids als neues Antibiotikum zu erforschen und zu optimieren.

Van Hoek konzentriert sich derzeit in ihrer Forschung auf ein synthetisches Peptid, das aus einem natürlichen Peptid amerikanischer Alligatoren gewonnen wird. Das Peptid wird derzeit präklinisch getestet.

Obwohl es seltsam erscheinen mag, neue Antibiotika von ausgestorbenen Krokodilen oder Menschen zu gewinnen, macht die Schwere der antibiotikaresistenten Bakterien derartige Forschungen lohnenswert, sagt Frau Van Hoek.

Hoai Phuong (laut CNN)

Quelle: https://www.congluan.vn/chong-khang-khang-sinh-y-tuong-tu-ai-va-nguoi-neanderthal-da-tuyet-chung-post276832.html