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Super antibiotico scoperto grazie all’intelligenza artificiale

Utilizzando un algoritmo di machine learning, i ricercatori del MIT hanno identificato un nuovo potente antibiotico. Il farmaco, chiamato “halicina” da HAL, il computer intelligente del film 2001: Odissea nello spazio, ha neutralizzato molti dei batteri più problematici che causano malattie, tra cui alcuni ceppi resistenti a tutti gli antibiotici noti.

[bquote by=”James Collins” other=”professore di ingegneria medica e scienze presso l’Istituto di Ingegneria e Scienza del MIT (IMES) e Dipartimento di Ingegneria Biologica”]Volevamo sviluppare una piattaforma che ci consentisse di sfruttare il potere dell’intelligenza artificiale per inaugurare una nuova era di scoperta di farmaci antibiotici. Il nostro approccio ha rivelato questa straordinaria molecola che è probabilmente uno degli antibiotici più potenti mai scoperto.[/bquote]

Nel loro nuovo studio pubblicato su Cell, i ricercatori hanno anche identificato molti altri promettenti candidati antibiotici che hanno intenzione di testare.

Un nuovo approccio per trovare nuovi antibiotici

Il processo di ricerca e sviluppo di un nuovo farmaco richiede un notevole dispendio di risorse umane ed economiche. In particolare, negli ultimi decenni la scoperta e l’approvazione normativa di nuovi antibiotici è rallentata. Sono stati sviluppati pochi antibiotici nuovi e la maggior parte di quelli recentemente approvati sono varianti leggermente diverse dei farmaci esistenti.

L’idea di utilizzare modelli predittivi “in silico”, cioè simulati matematicamente al computer, non è nuova, ma i precedenti modelli non erano sufficientemente accurati. Collins e il suo gruppo hanno sviluppato una rete neurale che impara automaticamente le proprietà delle molecole atomo per atomo. I ricercatori hanno progettato il loro modello per cercare caratteristiche chimiche che rendano le molecole efficaci nell’inibire la crescita del batterio Escherichia coli.

Per fare ciò, hanno addestrato il modello su circa 2.500 molecole, tra cui circa 1.700 farmaci approvati dalla FDA (Food and Drug Administration) e un set di 800 prodotti naturali. Una volta addestrato il modello, i ricercatori lo hanno usato per esaminare una libreria di molecole chiamata Drug Repurposing Hub, che contiene circa 6000 molecole in fase di studio per malattie umane. Il modello ha individuato una molecola che aveva una forte attività antibatterica e una struttura chimica diversa da qualsiasi antibiotico esistente: l’halicina.

Super antibiotico scoperto grazie all’intelligenza artificiale. Credits: Alfred Pasieka / Science Photo Library
Batterio Escherichia coli, immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM). Credits: Alfred Pasieka / Science Photo Library

Per testare l’efficacia dell’halicina sugli animali, i ricercatori l’hanno usata per trattare i topi infettati da Acinetobacter baumannii, un batterio che ha infettato molti soldati statunitensi di stanza in Iraq e in Afghanistan. Il ceppo di Acinetobacter baumannii che hanno considerato è resistente a tutti gli antibiotici conosciuti, ma l’applicazione di un unguento contenente halicina ha completamente eliminato le infezioni in 24 ore.

Un meccanismo in grado di non sviluppare farmacoresistenza

Un antibiotico funziona attraverso una serie di meccanismi, come il blocco degli enzimi coinvolti nella biosintesi delle pareti cellulari, nella riparazione del DNA o nella sintesi proteica. Ma il meccanismo dell’halicina non è convenzionale: agisce sul batterio interrompendo il flusso di protoni attraverso la membrana cellulare. Questo gradiente elettrochimico è necessario, tra le altre funzioni, per produrre ATP (molecola che le cellule usano per immagazzinare energia), quindi se il gradiente si interrompe le cellule muoiono. Perciò con questo tipo di meccanismo potrebbe essere difficile per i batteri sviluppare resistenza al farmaco.

In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che Escherichia coli non ha sviluppato alcuna resistenza all’halicina durante un periodo di trattamento di 30 giorni. Al contrario, i batteri hanno iniziato a sviluppare resistenza all’antibiotico ciprofloxacina entro uno o tre giorni e dopo 30 giorni i batteri erano circa 200 volte più resistenti alla ciprofloxacina rispetto a quando erano all’inizio dell’esperimento.

Super antibiotico scoperto grazie all’intelligenza artificiale. Credits: Collins Lab, MIT
L’halicina (riga superiore) ha impedito lo sviluppo di resistenza agli antibiotici in E. coli, mentre la ciprofloxacina (riga inferiore) no. Credits: Collins Lab, MIT

Utilizzare questo modello per trovare altri antibiotici

Dopo aver identificato l’antibiotico halicina, i ricercatori hanno utilizzato questo modello per vagliare oltre 100 milioni di molecole selezionate dal database ZINC15, una raccolta di circa 1,5 miliardi di composti chimici. Questa analisi ha identificato 23 candidati strutturalmente diversi dagli antibiotici esistenti e non tossici per le cellule umane.

Dopo averli testati in laboratorio contro cinque specie di batteri, i ricercatori hanno scoperto che 8 dei 23 candidati hanno mostrato attività antibatterica e 2 erano particolarmente potenti. I ricercatori hanno ora in programma di testare ulteriormente queste molecole e di esaminare più a fondo il database ZINC15.

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Benedetta Paolettihttps://biomedicalcue.it
Laureata in Ingegneria Biomedica all'Università Politecnica delle Marche. Studentessa MSc in Neuroengineering and bio-ICT all'Università degli Studi di Genova.