AIを使って「ネアンデルタール人の抗生物質」を復活させる

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抗生物質耐性菌の脅威

WHOによれば、抗生物質耐性菌に関連して、世界では毎年500万人近くが死亡しており、この状況に対処するための潜在的な薬を見つける必要性は極めて緊急である。

現在、バイオテクノロジーの先駆者であるセザール・デ・ラ・フエンテ氏が率いるチームは、人工知能 (AI) ベースの計算手法を使用して、ネアンデルタール人などの絶滅した人類の近縁種から遺伝的特徴を抽出し、4万年前の抗生物質を復活させようとしている。

抗生物質耐性はWHOから来ており、ネアンデルタール人は絶滅した写真1 — 絶滅したネアンデルタール人の模型。写真：ゲッティ

研究を通じて、科学者たちは細菌と戦う能力を持ついくつかの小さなタンパク質やペプチド分子を発見した。これは人間の感染症と戦うための新しい薬への道を開く可能性がある。

抗生物質（ペニシリンなど）は自然に（別の抗菌性微生物によって）生成されるものであり、非抗生物質抗菌剤（スルホンアミドや防腐剤など）は完全に合成されたものです。
しかし、どちらも微生物を殺したり増殖を防いだりするという同じ目的を持っており、どちらも抗菌化学療法の範疇に含まれます。抗菌剤には、防腐剤、抗菌石鹸、化学洗剤などが含まれますが、抗生物質はより特殊な抗菌剤であり、医薬品や時には動物飼料にも使用されます。
抗生物質は風邪やインフルエンザなどの病気を引き起こすウイルスには効かないので、ウイルスを阻害する薬は抗生物質ではなく、抗ウイルス薬または抗ウイルス剤と呼ばれます。

「この発見により、これまで生物では見られなかった新たな配列や新たなタイプの分子を発見することが可能になり、分子の多様性についてより広い視野で考えることが可能となります」と、研究チームを率いたペンシルベニア大学（米国）のセザール・デ・ラ・フエンテ博士は述べています。「今日の細菌はこれらの新しい分子にさらされたことがないため、これは今日の治療困難な病原体に対処する良い機会となる可能性があります。」

専門家たちは、抗生物質耐性菌に関する新たな発見が緊急に必要だと述べている。「世界は抗生物質耐性危機に直面しています…未来への解決策を見つけるために過去を遡る必要があるなら、私は大賛成です」と、カリフォルニア大学バークレー校の分子細胞発生生物学教授、マイケル・マハン氏は述べた。

「ジュラシック・パーク」からの提案

ほとんどの抗生物質は、土壌に生息する微生物のスクリーニングによって発見された細菌や真菌に由来します。しかし、ここ数十年、抗生物質の過剰使用により、病原菌の耐性獲得につながっています。

デ・ラ・フエンテ氏は過去10年間、計算科学的な手法を用いて、抗生物質の代替薬として様々なペプチドが持つ可能性を評価してきました。ある日、研究室で大ヒット映画『ジュラシック・パーク』の話題が持ち上がり、絶滅した分子を研究するというアイデアがチームに浮かびました。「過去の分子を復活させてみてはどうだろうか？」と彼は考えました。

これまで知られていなかったペプチドを発見するため、研究チームはAIアルゴリズムを訓練し、抗菌活性を持つ可能性のあるヒトタンパク質の断片化部位を認識できるようにした。そして、ホモ・サピエンス、ネアンデルタール人、そしてネアンデルタール人と近縁のもう一つの旧人類種であるデニソワ人の公開されているタンパク質配列に適用した。

次に研究チームは、過去の抗菌ペプチドの特性を利用して、どの古代ペプチドが最も細菌を殺す可能性が高いかを予測した。

次に、研究チームは最も有望な69種類のペプチドを合成し、それらが細菌を殺菌できるかどうかを試験しました。研究チームは、現代人由来のペプチド4種類、ネアンデルタール人由来のペプチド1種類、デニソワ人由来のペプチド1種類を含む、最も強力な6種類を選びました。

研究チームは、ヒトの院内感染症の一般的な原因菌であるアシネトバクター・バウマニに感染したマウスに、マウスを曝露させた。（院内感染症とは、入院時には感染していなかったが、入院中に感染する感染症のことである。）

抗生物質耐性はWHOから来て、ネアンデルタール人は絶滅した写真2 — ペンシルベニア大学のバイオテクノロジーのパイオニア、セザール・デ・ラ・フエンテ氏によると、アルゴリズムによって選ばれた6つのペプチドのうち、ネアンデルタール人のペプチドが、細菌に感染したマウスの病原体と戦うのに最も効果的だったという。（写真：ペンシルベニア大学）

「最も興奮した瞬間の一つは、研究室で分子を化学的に再構成し、初めてそれを蘇らせた時でした。科学的な観点から見ても、それを見るのは驚くべきことでした」とデ・ラ・フエンテ氏は語った。

皮膚膿瘍に感染したマウスでは、ペプチドが積極的に細菌を殺した。大腿部に感染症を患ったマウスでは、ペプチドの効果は低かったが、それでも細菌の増殖は防いだ。

「最も優れたペプチドは、ネアンデルタール人由来のネアンデルタール1と呼ばれるもので、これがマウスで最も効果を発揮した」とデ・ラ・フエンテ氏は語った。

さらなる研究が必要

しかし、デ・ラ・フエンテ氏は、これらのペプチドはどれも「抗生物質としてすぐに使用できる状態」ではなく、むしろ多くの調整が必要だと強調した。来年発表予定の研究で、彼と同僚は、詳細な遺伝情報が入手可能な208種の絶滅生物のタンパク質配列を探索するための新たなディープラーニングモデルを開発した。

研究チームは、絶滅した生物にのみ見られる、これまで未発見だった11,000種類以上の抗菌ペプチドを発見し、シベリアマンモス、ステラーカイギュウ（北極圏での狩猟により18世紀に絶滅した海洋哺乳類）、オオナマケモノ、そしてアイルランドオオヘラジカ（Megaloceros giganteus）から最も有望なペプチドを合成しました。同氏によると、新たに発見されたペプチドはマウスにおいて「優れた抗感染活性」を示したとのことです。

英国ジョン・イネス・センターのグループリーダー、ドミトリー・ギラロフ博士は、新しい抗生物質発見のボトルネックは、それらが不安定で合成が難しい場合があることだと述べた。「毒性などの問題のために、産業界によって開発・研究されていないペプチド抗生物質は数多くあります」とギラロフ博士は述べた。

2021年5月に発表された論文によると、研究者らが特定した有望な化合物1万種類のうち、米国食品医薬品局（FDA）の承認を受けた抗生物質はわずか1、2種類だという。

ジョージ・メイソン大学（米国）システム生物学部の教授兼研究副ディレクターのモニーク・ヴァン・フック博士は、自然界で見つかったペプチドが直接新しい薬や抗生物質を生み出すというのは非常に稀なことだと語った。

ファン・フック氏によると、この新しいペプチドの発見により、研究者らが計算技術を使ってそのペプチドの新しい抗生物質としての可能性を探求し、最適化する準備が整うことになるという。

ファン・フック氏は現在、アメリカワニに見られる天然ペプチドから派生した合成ペプチドの研究に注力しており、現在前臨床試験を実施中です。

絶滅したワニや人間から新たな抗生物質を採取するのは奇妙に思えるかもしれないが、抗生物質耐性菌の深刻さを考えると、そのような研究は価値があるとヴァン・フック氏は言う。

ホアイ・フオン氏（CNNによる）

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