Hace casi un siglo, el descubrimiento de antibióticos como la penicilina revolucionó medicamento aprovechando las capacidades naturales de los microbios para matar bacterias. Hoy, un nuevo estudio codirigido por investigadores de la Universidad de Pensilvania sugiere que el descubrimiento de antibióticos en productos naturales está a punto de acelerarse hacia una nueva era, impulsada por la inteligencia artificial (IA).
El estudio, publicado en celúla , detalla cómo los investigadores utilizaron una forma de IA llamada aprendizaje automático para buscar antibióticos en un vasto conjunto de datos que contiene los genomas registrados de decenas de miles de bacterias y otros organismos primitivos. Este esfuerzo sin precedentes produjo casi un millón de compuestos antibióticos potencial, y docenas mostraron actividad prometedora en las primeras pruebas contra bacterias que causan enfermedades.
“La IA en el descubrimiento de antibióticos es ahora una realidad y ha acelerado significativamente nuestra capacidad para descubrir nuevos fármacos candidatos. Lo que antes llevaba años ahora se puede lograr en horas utilizando ordenadores”, afirma el coautor principal del estudio, César de la Fuenteprofesor asistente presidencial en Psiquiatría, Microbiología, Química, Ingeniería Química y Biomolecular y Bioingeniería.
La naturaleza siempre ha sido un buen lugar para buscar nuevos medicamentos, especialmente antibióticos. El bacterias, Omnipresentes en nuestro planeta, han desarrollado numerosas defensas antibacterianas, a menudo en forma de proteínas cortas (“péptidos”) que pueden alterar las membranas celulares bacterianas y otras estructuras críticas. Si bien el descubrimiento de la penicilina y otros antibióticos naturales revolucionó la medicina, la creciente amenaza de la resistencia a los antibióticos ha puesto de relieve la necesidad urgente de nuevos compuestos antimicrobianos.
En los últimos años, de la Fuente y sus colegas han sido pioneros en la búsqueda de Antimicrobianos impulsados por IA. Han identificado candidatos preclínicos en los genomas de humanos contemporáneos, neandertales y denisovanos extintos, mamuts lanudos y cientos de otros organismos. Uno de los principales objetivos del laboratorio es extraer información biológica del mundo en busca de moléculas útiles, incluidos antibióticos.
Para este nuevo estudio, el equipo de investigación utilizó una plataforma de aprendizaje automático para examinar múltiples bases de datos públicas que contienen datos genómicos microbianos. El análisis abarcó 87.920 genomas de microbios específicos, así como 63.410 mezclas de genomas microbianos (“metagenomas”) de muestras ambientales. Esta exploración integral abarcó diversos hábitats alrededor del planeta.
Esta extensa exploración logró identificar 863.498 péptidos antimicrobianos candidatos, más del 90 por ciento de los cuales nunca han sido descritos antes. Para validar estos hallazgos, los investigadores sintetizaron 100 de estos péptidos y los probaron contra 11 cepas bacterianas que causan enfermedades, incluidas cepas de E. coli y Estafilococo aureus resistente a los antibióticos.
“Nuestra evaluación inicial reveló que 63 de estos 100 candidatos erradicaron por completo el crecimiento de al menos uno de los patógenos probados y, a menudo, de varias cepas”, señala de la Fuente. “En algunos casos, estas moléculas fueron eficaces contra las bacterias en dosis muy bajas”, añade.
También se observaron resultados prometedores en modelos animales preclínicos, donde algunos de los potentes compuestos detuvieron con éxito las infecciones. Análisis más detallados sugirieron que muchas de estas moléculas candidatas destruyen las bacterias al romper sus membranas protectoras externas, haciéndolas estallar efectivamente como globos.
Los compuestos identificados se originaron a partir de microbios que viven en una amplia variedad de hábitats, incluida la saliva humana, tripas de cerdo, suelo y plantas, corales y muchos otros organismos terrestres y marinos. Esto valida el amplio enfoque de los investigadores para explorar los datos biológicos del mundo.
En general, los hallazgos demuestran el poder de la IA para descubrir nuevos antibióticos, proporcionando múltiples pistas nuevas para los desarrolladores de antibióticos y señalando el comienzo de una nueva era prometedora en el descubrimiento de antibióticos.
El equipo ha publicado su repositorio de supuestas secuencias antimicrobianas, al que llaman AMPSphere, que es de acceso abierto y está disponible gratuitamente aquí.
