点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:慧眼识珠!AI独立发现超强抗生素
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

慧眼识珠!AI独立发现超强抗生素

来源:科技日报2020-02-27 09:28

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  扫描电子显微镜照片中呈绿色的大肠杆菌图片来源:英国《自然》杂志网站

  今日视点

  人工智能“慧眼识珠”,首次独立发现了一种强大的新型抗生素!

  美国麻省理工学院(MIT)科学家在最新一期《细胞》杂志撰文称,他们新研制出的一种深度学习人工智能(AI),鉴定出一种全新抗生素。

  实验室测试表明,这种抗生素能有效杀死多种世界上最麻烦的致病细菌,包括一些对所有已知抗生素耐药的菌株。

  在英国《自然》杂志网站2月20日的报道中,研究人员表示,这种名为halicin的抗生素是首个由人工智能发现的抗生素。尽管科学家以前曾使用AI辅助发现抗生素,但此次是AI首次在没有任何人类假设的情况下,从头发现全新抗生素。

  美国匹兹堡大学计算生物学家雅各布·杜兰特评论道,这项研究非常出色,研究团队不仅确定了候选抗生素,还在动物实验中验证了有潜力的分子。此外,该方法还可用于发现治疗癌症、神经衰退性等疾病的药物。

  无需假设

  自发现青霉素以来,抗生素已成为现代医学的基石,但在全球范围内,细菌对抗生素的耐药性正急剧上升。《自然》杂志的报道称,研究人员预测,如果不尽快研发新药,预计到2050年,每年将有一千万人因耐药菌感染而丧生。

  但在过去几十年,新诞生的抗生素寥寥无几,且结构上与过去已有抗生素大同小异。此外,当前用于筛选新抗生素的方法成本高昂,且耗费大量时间。最新研究负责人、MIT合成生物学家吉姆·柯林斯说:“人们不断发现相同的分子,我们需要具有新颖作用机理的新型化学物质。我们希望开发一个平台,能借助人工智能的力量,开创抗生素药物发现新时代。”

  为寻找新型抗生素,研究团队开发出了一个神经网络模型,这是一种受大脑结构启发的AI算法,可逐个原子学习分子的结构特性。

  据MIT网站2月20日报道,在研究中,柯林斯团队使用约2500个分子来训练他们的神经网络模型,以发现能抑制大肠杆菌生长的分子。这些分子包括约1700种已获批的药物(其中300种获批抗生素)以及800种来自植物、动物和微生物的天然物质。

  最新研究联合负责人、MIT计算机科学与人工智能实验室电气工程与计算机科学教授雷吉娜·巴兹莱表示,该算法不需要任何药物工作原理方面的假设,也无需对化学基团进行标记,就可以预测分子功能,“因此,该模型可以学到人类专家未知的新模式”。

  该模型训练完毕后,研究人员用它筛选一个名为“药物再利用中心”的分子库,该分子库包含约6000种科学家正在研究、用于治疗人类疾病的分子。他们让该模型预测哪种分子能有效抑制大肠杆菌,并仅向他们展示看起来与常规抗生素不同的分子。

  从得到的结果中,研究团队选择了约100个分子开展物理测试,其中一种是正研究用于治疗糖尿病的分子。结果表明,它是一种具有很强抗菌活性的抗生素,且化学结构与任何现有抗生素不同。研究人员为致敬经典科幻片《2001太空漫游》,将该分子命名为“halicin”(电影里的人工智能系统名为HAL 9000)。此外,研究人员还借助使用其他机器学习模型发现,该分子可能对人体细胞具有较低毒性。

  实验室测试表明,除铜绿假单胞菌(一种难以治疗的肺病原体)外,halicin对包括艰难梭菌、结核分枝杆菌和鲍曼不动杆菌等在内的多种病原体具有活性。

  为测试halicin在活体动物身上的功效,研究人员用其治疗感染鲍曼不动杆菌的小鼠。鲍曼不动杆菌具有“超级耐药性”,能耐受已知所有抗生素,世界卫生组织已将其定为最需要优先处理新抗生素的病原体之一,人类迫切需要新抗生素来对付它。

  研究表明,在感染了鲍曼不动杆菌的小鼠身上,halicin再次显现出神奇效果:含有halicin的软膏在24小时内,就彻底清除了感染。

  特立独行

  抗生素通过多种机制起作用,如阻断细胞壁生物合成、DNA修复或蛋白质合成中涉及的酶。但halicin并不按常理出牌:它破坏质子在细胞膜上的流动。

  MIT的报道指出,初步研究表明,halicin通过破坏细菌在细胞膜上维持电化学梯度的能力来杀死细菌。此化学梯度对于产生ATP(细胞用来存储能量的分子)不可或缺,因此,如果梯度破裂,细胞将凋亡。研究人员说,这种杀伤机制可能会使细菌难以产生抗药性。

  柯林斯说:“实验表明,针对抗生素环丙沙星,大肠杆菌会在1到3天内对其表现出抗药性,但即使30天后,大肠杆菌仍未对halicin产生任何抗药性。”

  走进新时代

  发现halicin后,研究小组利用该模型,对ZINC15数据库内的1亿多种分子展开了筛查。ZINC15是一个在线数据库,包含15亿种化合物的信息。

  仅三天时间,该模型就筛查出23种与现有抗生素结构不同且可能对人细胞无毒的候选分子。细菌测试表明,其中8种分子拥有抗菌活性,且2种功能强大。研究人员现在计划进一步测试这些分子,并继续筛查ZINC15数据库。

  卡内基梅隆大学计算生物学家鲍勃·墨菲说:“使用计算方法发现和预测潜在药物特性这一领域方兴未艾,最新研究是一个绝佳实例。”

  墨菲指出,以前已有科学家开发AI方法来挖掘庞大的基因和代谢物数据库,以识别可能包括新抗生素的分子类型。

  但柯林斯团队表示,他们的方法与众不同。新模型不是在搜索特定的结构或分子类别,而是在训练神经网络寻找具有特定活性的分子。

  该团队希望与其他团队或公司合作,将halicin用于临床试验,也计划使用他们的模型设计新抗生素并优化现有分子,例如,使特定抗生素仅杀死特定细菌,防止其杀死患者消化道中的有益细菌。

  巴兹莱说:“机器学习模型可以在计算机上探索大型化学空间,而传统实验室方法要做到这一点会非常昂贵。”最新研究既提高了化合物鉴定的准确性,又降低了筛选工作的成本。

  以色列理工学院生物学和计算机科学教授罗伊·基肖尼表示:“这项开创性研究标志着抗生素发现乃至更普遍的药物发现发生了范式转变,深度学习技术或可应用于抗生素开发的所有阶段——从发现抗生素到通过药物修饰和药物化学改善抗生素的功效和毒性。”(记者 刘 霞)

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 彭丽媛会见德国伯乐中文合唱团师生代表

  • 明前茶飘香

独家策划

推荐阅读
人工智能可以取代人力勾绘农作物地块,快速完成耕地识别,工作效率相比人工作业提升数十倍。在他看来,我国在星上智能处理和地面遥感AI大模型技术上同步发力,推进人工智能遥感技术发展,太空中的卫星将变得越来越“聪明”。
2024-03-29 09:36
3月27日发表于《自然》的一项分析预测,融化的冰盖正在减缓地球的自转速度,以至于下一个闰秒将被推迟3年。论文作者之一、美国斯克里普斯海洋研究所地球物理学家Duncan Agnew说:“融冰足以使海平面上升,以至于我们可以看到地球自转速度受到了影响。
2024-03-29 09:33
胡新立表示,研究团队将进一步探讨生理性乳酸水平变化对机体代谢的意义,以及恶病质中骨骼肌萎缩与乳酸的直接关系。
2024-03-29 09:31
近日,日本小林制药保健品事件持续发酵。小林制药此前表示,该公司的红曲原料中可能含有导致消费者出现肾功能不良状态的非预期成分。小林制药出产的红曲原料除用于自家生产保健品外,还出售给其他公司,用于酿酒及食品制造等。
2024-03-29 09:22
朱雀三号可重复使用垂直起降回收验证火箭在酒泉卫星发射中心圆满完成试验任务。2023年12月,蓝箭航天朱雀二号遥三液氧甲烷运载火箭在酒泉发射中心圆满完成发射任务,将三颗商业卫星顺利送入预定轨道。
2024-03-29 09:30
记者28日从南京大学获悉,由该校物理学院杜灵杰教授领衔的国际团队利用极端条件下的偏振光散射技术,在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量,在世界上首次观察到引力子激发,即引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。
2024-03-29 08:38
世界卫生组织27日发布新闻公报说,已启用“冠状病毒网络”(CoViNet),以促进和协调全球的专业知识和能力,及早准确地检测、监测和评估新冠病毒、中东呼吸综合征冠状病毒和其他可能新出现的冠状病毒。
2024-03-29 08:38
万兆元年,谁来领航?是更智慧AI,是更领先的Advance,是刷新极限的速度,还是升级多维的体验?中国移动5G-A商用发布会,重新定义数智新时代,邀您共同见证!3月28日15:00-16:00
2024-03-28 12:36
作为中国大科学装置之一,高能同步辐射光源是由中国科学院、北京市共建的怀柔科学城大科学装置集群的核心装置。
2024-03-28 09:54
2022年8月15日,国际天文学联合会小天体命名工作组发布公告,将国际永久编号为192353号的小行星命名为“王大中星”。围绕大学的根本任务是育才造士这一核心要义,王大中归纳并紧抓建设一流大学的三大要素:大师、大楼和大学精神。
2024-03-28 09:34
坎潘特强调,最新观测表明,精确的星震学技术可用于探测表面温度低至4200℃(比太阳表面低约1000℃)的矮星,为天体物理观测开辟了一个新领域。这一最新结果表明,星震学技术有望详细表征这些恒星及其宜居行星的细节,而精确确定附近冷矮星的年龄对于阐释系外行星上发现的生物特征可能至关重要。
2024-03-28 09:33
记者从自然资源部3月27日召开的例行新闻发布会上获悉:今年是极地考察40周年,自然资源部将开展一系列活动纪念这一重要时间节点。7月北极黄河站建站20周年时,在黄河站举办招待会、研讨会等相关活动,中国第四十一次南极考察期间将在长城站、中山站举行招待会、研讨会等相关活动,“雪龙”号、“雪龙2”号船停靠外港时举行公众开放日活动。
2024-03-28 09:32
联合国教科文组织执行局27日批准18处地质公园列入世界地质公园网络名录,其中包括中国的6个地质公园,分别是长白山世界地质公园、恩施大峡谷-腾龙洞世界地质公园、临夏世界地质公园、龙岩世界地质公园、武功山世界地质公园、兴义世界地质公园。
2024-03-28 09:31
据介绍,除了服务于中国探月工程四期,后续鹊桥二号中继星还可为国内外月球探测提供中继通信支持。
2024-03-28 09:25
涂白防虫、修剪树枝、引水灌溉……每当春天到来,在祖国西北边陲新疆托里县老风口,生态造林工作就紧锣密鼓地开始了。
2024-03-27 10:22
今年我国纪念“世界水日”“中国水周”的活动主题为“精打细算用好水资源,从严从细管好水资源”。
2024-03-27 10:21
在齐齐哈尔市甘南县宝山乡巨宏村,村民苑忠国正在准备春耕,多年来通过参与县里的培训,春耕物资的采购对他来说已是轻车熟路。
2024-03-27 10:20
在开展调查监测,评估新污染物环境风险状况方面,《行动方案》提出建立化学物质环境信息调查制度、建立新污染物环境调查监测制度、建立化学物质环境风险评估制度、动态发布重点管控新污染物清单等具体措施。
2024-03-27 10:18
一群“麦哲伦”式的实验物理学家正在高能物理的版图上开疆拓土。而玻色子的发现,正在指向新的“盛宴”。
2024-03-27 10:16
作为古生物学家,徐星是中国科学院院士、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员,同时也是云南大学教授,主要从事中生代陆相脊椎动物化石及地层学研究。
2024-03-27 10:15
加载更多