Trí tuệ nhân tạo phát hiện kháng sinh

Ảnh minh họa.

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chất kháng sinh này giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến vi khuẩn, trong đó có một số chủng kháng được tất cả các loại kháng sinh hiện có.

Các thuật toán cũng phát hiện một vài hợp chất có khả năng kháng khuẩn, tuy nhiên chưa được thử nghiệm.

Các nhà nghiên cứu ở Viện MIT sử dụng các thuật toán học máy để nhận biết chất kháng sinh mới. Mặc dù trước đó, trí tuệ nhân tạo đã được sử dụng để trợ giúp một phần quá trình phát hiện thuốc mới, nhưng các nhà khoa học ở MIT cho rằng, trí tuệ nhân tạo của họ nhận biết kháng sinh “từ con số không”, trong đó các thuật toán không chấp nhận các giả thiết do con người đưa ra.

Sử dụng sức mạnh trí tuệ nhân tạo

Trí tuệ nhân tạo tham gia khám phá kháng sinh mới, có khả năng nghiên cứu hơn 100 triệu hợp chất hóa học trong vòng vài ba ngày. Nó được tạo ra với mục đích phát hiện các loại thuốc tiềm năng.

“Chúng tôi muốn phát triển nền tảng có thể cho phép sử dụng sức mạnh của trí tuệ nhân tạo để khởi động giai đoạn mới về phát hiện thuốc” – ông Jim Collins, trưởng nhóm nghiên cứu ở Viện MIT, cho biết.

“Cách tiếp cận mới đã giúp nhận dạng được phân tử của một trong những kháng sinh mạnh nhất” – ông Collins nói thêm.

Hơn nữa, các thuật toán cũng nhận dạng được một vài “ứng viên” thuốc kháng sinh khác. Các nhà khoa học dự định sẽ tiến hành các bài thử nghiệm với sự tham gia của các “ứng viên “ này.

Họ cũng khẳng định, trí tuệ nhân tạo do họ phát triển còn có thể được sử dụng để “thiết kế” các loại thuốc mới, dựa trên những gì mà trí tuệ nhân tạo biết về các cấu trúc hóa học trong quá trình phân tích.

“Thuật toán học máy có thể khám phá không gian hóa học rộng lớn dựa trên máy tính mà không gây tốn kém so với trường hợp áp dụng các phương pháp thí nghiệm truyền thống” – bà Regina Barzilay ở Phòng thí nghiệm Trí tuệ nhân tạo và Khoa học máy tính (CSAIL) thuộc Viện MIT, cho biết như vậy.

Cải cách trong tìm kiếm thuốc men?

Trong vòng vài ba thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã phát triển không nhiều thuốc kháng sinh mới; trong đó phần lớn thuốc mới được khẳng định chỉ là biến thể của các loại thuốc đã có.

Các phương pháp nghiên cứu thuốc kháng sinh mới hiện nay thường quá tốn kém, đòi hỏi mất nhiều thời gian và thường bị hạn chế trong phổ hẹp của đa dạng hóa học. Nền tảng do các nhà nghiên cứu ở MIT phát triển có thể làm thay đổi tất cả.

“Chúng ta đang đối diện với khủng hoảng liên quan đến sự nhờn thuốc của vi khuẩn. Tình trạng này có nguyên nhân từ số lượng mầm bệnh kháng kháng sinh ngày càng tăng, cũng như rào cản trong lĩnh vực công nghệ sinh học và dược phẩm đối với phát triển thuốc kháng sinh mới” – ông Collins giải thích.

Trước đó, Giáo sư Tommi Jaakkola (Viện MIT) cùng các sinh viên của ông đã phát triển các mô hình điện toán cho học máy với mục đích “huấn luyện” các mô hình này để phân tích cấu trúc phân tử các hợp chất hóa học.

Các mô hình cũng tìm kiếm các đặc điểm đã xác định trước, chẳng hạn như khả năng tiêu diệt vi khuẩn. Ông Collins và bà Barzilay đã hợp lực với nhóm của Jaakkola để phát triển nền tảng điện toán mới, có nhiều hứa hẹn.

Halicine - thuốc kháng sinh mới

Ý tưởng ứng dụng các mô hình máy tính để nghiên cứu các loại thuốc mới không phải là điều mới lạ. Tuy nhiên, cho đến nay các mô hình này chưa có đủ tính chuẩn xác. Thế nhưng, các mạng nơron mới có thể tự học trong quá trình tìm kiếm và phân tích các hợp chất, từ đó đẩy nhanh quá trình thực hiện công việc.

Trong trường hợp này, các nhà khoa học thiết kế mô hình nhằm mục đích tìm kiếm các đặc tính hóa học thể hiện khả năng tiêu diệt vi khuẩn E. coli. Tuy nhiên, đầu tiên các thuật toán phải được huấn luyện. Lúc ban đầu, trí tuệ nhân tạo nhận được khoảng 2.500 phân tử để phân tích. Trong số đó, có khoảng 1.700 phân tử có nguồn gốc từ các loại thuốc được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) công nhận.

Sau huấn luyện thuật toán, các nhà khoa học kiểm tra khả năng trí tuệ nhân tạo trong “thư viện” bao gồm khoảng 6.000 hợp chất. Các thuật toán chọn lựa một phân tử có hoạt tính kháng khuẩn mạnh. Phân tử này cũng có cấu trúc hóa học khác với các kháng sinh hiện hành khác. Sử dụng trí tuệ nhân tạo khác, các nhà khoa học cũng chỉ ra rằng phân tử này có mức độc tố tương đối thấp đối với các tế bào con người.

Phân tử do các thuật toán chọn lựa được gọi là halicine, theo tên của hệ thống máy tính HAL 9.000 từ tiểu thuyết khoa học viễn tưởng “2001: Odyssey vũ trụ” của nhà văn Mỹ Arthur C. Clark. Điều thú vị là trước đó halicine đã được nghiên cứu trong vai trò thuốc chữa tiểu đường.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm halicine đối với hàng chục chủng vi khuẩn lấy từ các bệnh nhân và sau đó nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Hóa ra, hợp chất halicine này có khả năng tiêu diệt nhiều vi khuẩn “cứng đầu” như Clostridium difficile, Acinetobacter bau mannii và Mycobacterium tu berculosis.

Tiếp đó, các nhà khoa học kiểm tra tính hiệu quả của halicine đối với chuột đã nhiễm vi khuẩn Acinetobacter bau mannii. Đây là loại vi khuẩn lây nhiễm sang nhiều lính Mỹ đồn trú tại Iraq và Afganistan. Chủng vi khuẩn A. baumannii kháng tất cả các loại kháng sinh đã biết, tuy nhiên thuốc mỡ có chứa halicine đã loại bỏ hoàn toàn A. baumannii sau 24 giờ sử dụng.

Các hợp chất hứa hẹn

Sau khi nhận dạng halicine, các nhà khoa học đã cho các thuật toán phân tích hơn 100 triệu phân tử lấy từ kho dữ liệu ZINC15. Đây là kho dữ liệu trực tuyến, chứa khoảng 1,5 tỷ mẫu hợp chất hóa học.

Nghiên cứu (chỉ kéo dài 3 ngày) đã nhận diện được 23 “ứng viên” cho các kháng sinh mới. Trong các thử nghiệm ban đầu, các nhà khoa học khẳng định 8 “ứng viên” có hoạt tính kháng khuẩn; trong đó 2 “ứng viên” đặc biệt kháng khuẩn rất mạnh.

Các nhà khoa học cũng dự định sử dụng mô hình trí tuệ nhân tạo để “thiết kế” các loại kháng sinh mới, đồng thời tối ưu hóa các loại hiện có.

“Công việc mang tính đột phá này chứng tỏ sự thay đổi mô hình trong phát hiện các chất kháng sinh nói riêng và các loại thuốc nói chung. Cách tiếp cận này cho phép sử dụng các thuật toán học máy trong tất cả các giai đoạn phát triển kháng sinh, từ phát hiện đến cải thiện tính hiệu quả và kiểm tra độc tính” - ông Roy Kishony ở Viện Công nghệ Israel nhấn mạnh.

Theo Nauka