Phát minh mô hình AI giúp thiết kế các loại kháng sinh mới chống siêu vi khuẩn

Sự lây lan của vi khuẩn kháng thuốc trên toàn thế giới đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về kháng sinh mới, nhưng ngay cả các phương pháp AI hiện đại cũng bị hạn chế trong việc phân lập các hợp chất hóa học đầy hứa hẹn, đặc biệt là khi các nhà nghiên cứu phải tìm cách sản xuất các loại thuốc mới dựa trên AI này và thử nghiệm chúng trong phòng thí nghiệm.

Trong một nghiên cứu mới được công bố hôm 23.3 trên tạp chí khoa học Nature Machine Intelligence, các nhà nghiên cứu báo cáo rằng đã phát triển mô hình AI tạo sinh mang tên SyntheMol, có thể thiết kế các loại kháng sinh mới để ngăn chặn sự lây lan của siêu vi khuẩn Acinetobacter baumannii.

Acinetobacter baumannii là một loại vi khuẩn hình que ngắn, dạng coccobacillus thuộc nhóm Gram âm. Nó có khả năng kháng thuốc kháng sinh cao, tạo khó khăn trong điều trị. Acinetobacter baumannii thường gây ra các bệnh nhiễm trùng cho những bệnh nhân có hệ miễn dịch yếu, lây lan qua tiếp xúc trực tiếp với người hoặc bề mặt bị nhiễm.

Acinetobacter baumannii được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã xác định là một trong những vi khuẩn kháng thuốc nguy hiểm nhất trên thế giới. WHO xếp Acinetobacter baumannii là “nguy cấp” trong danh sách nhóm vi khuẩn mà thế giới phải cấp thiết phát triển thuốc kháng sinh mới để đối phó.

Theo WHO, Acinetobacter baumannii có khả năng tìm ra những cách thức mới để chống lại việc điều trị và có thể truyền vật liệu di truyền khiến các vi khuẩn khác cũng trở nên kháng thuốc. Acinetobacter baumannii gây ra mối đe dọa cho các bệnh viện, viện dưỡng lão, bệnh nhân cần máy thở và ống thông máu, cũng như những người có vết thương hở do phẫu thuật.

Acinetobacter baumannii có thể sống trong thời gian dài trên các thiết bị dùng chung và thường lây lan qua bàn tay đã tiếp xúc với chúng. Nổi tiếng là khó tiêu diệt, Acinetobacter baumannii có thể gây viêm phổi, viêm màng não và nhiễm trùng vết thương, tất cả đều có thể dẫn đến tử vong.

Theo Trung tâm Phòng ngừa và Kiểm soát dịch bệnh Mỹ (CDC), Acinetobacter baumannii còn có thể sống trong cơ thể bệnh nhân mà không gây nhiễm trùng hoặc triệu chứng.

Các nhà nghiên cứu cho biết vẫn còn ít phương pháp điều trị bệnh do Acinetobacter baumannii gây ra.

"Kháng sinh là một loại thuốc độc đáo. Ngay khi chúng tôi bắt đầu sử dụng chúng trong phòng khám, chúng tôi sẽ bắt đầu tính thời gian trước khi thuốc trở nên vô hiệu vì vi khuẩn tiến hóa nhanh chóng để chống lại chúng", theo Jonathan Stokes, tác giả chính của nghiên cứu trên tạp chí Nature Machine Intelligence và là giáo sư trợ giảng tại khoa Y sinh & Hóa sinh của Đại học McMaster.

Ông tiến hành nghiên cứu này với James Zou, giáo sư về khoa học dữ liệu y sinh tại Đại học Stanford.

Jonathan Stokes nói: “Chúng ta cần một nguồn kháng sinh mạnh mẽ, cần phát hiện ra chúng một cách nhanh chóng và không tốn kém. Đó là lúc AI đóng vai trò quan trọng”.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển mô hình AI tạo sinh để tiếp cận hàng chục tỉ phân tử đầy hứa hẹn theo cách nhanh chóng và rẻ tiền. Họ đã lấy từ một thư viện chứa 132.000 mảnh phân tử, khớp với nhau như những mảnh Lego nhưng tất cả đều rất khác nhau về bản chất.

Sau đó, các nhà nghiên cứu tham chiếu chéo các mảnh phân tử này với một bộ 13 phản ứng hóa học, cho phép họ xác định 30 tỉ tổ hợp hai chiều của các mảnh để thiết kế những phân tử mới có đặc tính kháng khuẩn hứa hẹn nhất.

Mỗi phân tử do SyntheMol thiết kế lần lượt được đưa qua một mô hình AI khác, được đào tạo để dự đoán độc tính.

Quá trình này tạo ra 6 phân tử có hoạt tính kháng khuẩn mạnh chống lại Acinetobacter baumannii và cũng không độc hại.

"Mô hình Synthemol không chỉ thiết kế ra các phân tử mới hứa hẹn là ứng viên thuốc tiềm năng, mà còn tạo ra công thức làm thế nào để sản xuất mỗi phân tử mới. Tạo ra các công thức như vậy là một cách tiếp cận mới và là yếu tố thay đổi cuộc chơi vì các nhà hóa học không biết cách tạo ra các phân tử do AI thiết kế ", James Zou cho biết.

Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Quỹ Gia đình Weston, Viện Nghiên cứu Y tế Canada cùng vợ chồng Marnix và Mary Heersink.

Theo nghiên cứu khác được đăng tải trên tạp chí Nature Chemical Biology vào tháng 5.2023, nhóm các nhà khoa học từ Đại học McMaster và Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) đã phát hiện ra loại kháng sinh mới có thể được sử dụng để tiêu diệt Acinetobacter baumannii.

Các nhà nghiên cứu đã dùng thuật toán AI để sàng lọc hàng ngàn phân tử kháng khuẩn nhằm dự đoán các lớp cấu trúc mới. Qua đó, họ đã xác định được một hợp chất kháng khuẩn mới và đặt tên là abaucin.

Gary Liu, chuyên gia tại Đại học MacMaster tham gia cuộc nghiên cứu, nói: “Chúng tôi có rất nhiều dữ liệu cho biết hóa chất nào có thể tiêu diệt một nhóm vi khuẩn và loại nào không. Công việc của tôi là đào tạo mô hình AI này và tất cả những gì nó sẽ làm là cho biết về cơ bản các phân tử mới liệu có đặc tính kháng khuẩn hay không. Thông qua đó, chúng tôi có thể tăng hiệu quả của quy trình phát triển thuốc và tập trung vào các phân tử mà chúng tôi thực sự quan tâm”.

Sau khi đào tạo mô hình AI, các nhà khoa học đã sử dụng nó để phân tích 6.680 hợp chất. Quá trình phân tích mất 1 tiếng rưỡi và kết quả là tạo ra hàng trăm hợp chất. 240 trong số đó đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Kết quả là thu được là 9 loại kháng sinh tiềm năng, gồm cả abaucin.

Tiếp theo, các nhà khoa học đã thử nghiệm trên vết thương nhiễm Acinetobacter baumannii của chuột và nhận thấy nhiễm trùng đã bị ngăn chặn.

Giáo sư Jonathan Stokes (Đại học McMaster) đánh giá: “Công trình này xác nhận lợi ích của học máy trong việc tìm thuốc kháng sinh mới. Sử dụng AI giúp chúng ta có thể nhanh chóng khám phá các vùng không gian hóa học rộng lớn, tăng đáng kể cơ hội phát hiện các phân tử kháng khuẩn mới”.