Trí tuệ nhân tạo vừa giúp các nhà khoa học tìm ra một loại "kháng sinh mạnh nhất" từ trước đến nay

Trí tuệ nhân tạo (AI) vừa giúp các nhà khoa học tìm ra một hợp chất kháng sinh mạnh mẽ, có thể được sử dụng để tiêu diệt các siêu vi khuẩn nguy hiểm nhất trên thế giới hiện nay.

Nhóm nghiên cứu, được dẫn dắt bởi hai giáo sư Regina Barzilay và James Collins đến từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đã sử dụng một thuật toán học máy để quét và sàng lọc một cơ sở dữ liệu hợp chất hóa học.

Mục tiêu của họ là tìm ra những ứng cử viên hàng đầu cho một loại kháng sinh diệt khuẩn mới, với công thức càng khác biệt với các loại kháng sinh hiện có càng tốt.

Theo kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell, Barzilay và Collins đã tìm ra một hợp chất kháng sinh và thử nghiệm nó trên chuột. Hợp chất này đã tiêu diệt thành công những vi khuẩn từng kháng tất cả các loại kháng sinh hiện tại.

Theo các nhà nghiên cứu, đây là lần đầu tiên trí tuệ nhân tạo – cụ thể là các thuật toán học máy có thể tự trau dồi khả năng của chúng – được ứng dụng thành công để tìm ra loại kháng sinh mới.

"Chúng tôi muốn phát triển một nền tảng, cho phép khai thác sức mạnh của trí tuệ nhân tạo để mở ra một kỷ nguyên mới trong công cuộc khám phá các loại thuốc kháng sinh", nhà nghiên cứu Keith Collins tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế (IMES) thuộc MIT cho biết trong một tuyên bố.

"Chiến lược của chúng tôi đã đưa đến kết quả là sự khám phá ra phân tử tuyệt vời này. Có thể nói, đó là một trong những loại kháng sinh mạnh nhất mà con người từng phát hiện ra".

Kháng kháng sinh là hiện tượng xảy ra khi vi khuẩn đề kháng được với các loại kháng sinh mà con người sử dụng, sau một thời gian tiến hóa để thích nghi lại với chúng. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) tuyên bố kháng kháng sinh hiện nay đã trở thành một trong những mối đe dọa trên quy mô toàn cầu, một tình trạng yêu cầu tất cả các chính phủ trên toàn thế giới phải phối hợp hành động trong nhiều lĩnh vực.

Ước tính cho thấy mỗi năm trên toàn thế giới có khoảng hơn 700.000 người tử vong vì vi khuẩn kháng kháng sinh. Nếu chúng ta không đưa ra các giải pháp mạnh mẽ ngay vào thời điểm này, Liên Hợp Quốc cho biết con số có thể tăng lên tới 10 triệu người vào năm 2050.

Điều này khiến cho việc tìm ra một loại thuốc kháng sinh mới trở thành nhiệm vụ tối quan trọng. Trong một vài năm trở lại đây, xu hướng nghiên cứu kháng sinh mới chỉ tập trung vào một số mục tiêu hạn hẹp, trong đó có một số loại kháng sinh mới được tìm ra có công thức tương tự với kháng sinh hiện tại và dễ dàng bị vi khuẩn kháng lại.

Việc tiến vào những vùng đất hoang dã mới, sàng lọc và săn bắt một phổ các hợp chất hóa học hoàn toàn mới, khác biệt với các loại kháng sinh hiện tại vẫn chưa được ai tiến hành. Và đó là nơi mà các nhà khoa học ở MIT tìm thấy nhiệm vụ của mình, với một thứ vũ khí mạnh mẽ mà họ có trong tay: trí tuệ nhân tạo.

"Chúng tôi sử dụng trí tuệ nhân tạo để tạo ra các mô hình phân tử ảo, sau đó dự báo tính chất kháng khuẩn của chúng", Barzilay cho biết. "Thông thường, các phép sàng lọc như vậy phải được thực hiện trong phòng thí nghiệm, nếu vậy nó rất chậm mà lại tốn kém. Bây giờ, một cỗ máy [với trí tuệ nhân tạo] có thể hiển thị hàng trăm triệu hợp chất, để xác định một vài ứng cử viên cần thử nghiệm".

"Mức chi phí rẻ của chiến lược này cho phép chúng tôi khám phá một không gian các hợp chất cực lớn, trong khi chỉ phải thử nghiệm các hợp chất có tiềm năng rõ rệt. Đây là lần đầu tiên AI được sử dụng để xác định một phân tử kháng sinh mới tiềm năng", Barzilay nói.

Trí tuệ nhân tạo đã dự đoán halicin là một chất kháng sinh hiệu quả, và sự thật là vậy.

Để làm được điều này, đầu tiên các nhà nghiên cứu đã phải đào tạo thuật toán học máy của họ, để xác định đâu là các đặc điểm của một chất hóa học cho phép nó quét sạch vi khuẩn E.coli. Sau khi thuật toán đã được đào tạo như vậy, nhóm nghiên cứu mới đưa nó quét qua một cơ sở dữ liệu bao gồm khoảng 6.000 hóa chất dược phẩm.

Trong cuộc săn bắt này, thuật toán đã xác định được một hợp chất hấp dẫn mà họ đặt tên là "halicin". Dựa trên những tính chất của nó, AI đã dự đoán đây là một chất kháng sinh hiệu quả, và nó sẽ hoạt động theo các nguyên lý khác với các loại kháng sinh hiện có. Phân tính bổ sung cho thấy halicin cũng không đầu độc tế bào.

Bước tiếp theo sau khi đã tìm ra ứng cử viên là thử nghiệm nó. Các nhà nghiên cứu ở MIT đã nuôi cấy vi khuẩn trong đĩa thạch và nhận thấy halicin đã tiêu diệt được chúng. Điều này cho phép họ tiến tới mô hình thử nghiệm trên chuột.

Những con chuột đã được tiêm vào người một chủng vi khuẩn A. baumannii, thứ có thể đề kháng với mọi loại kháng sinh mà con người có được trước đây. Kết quả là halicin lại một lần nữa cho thấy sự hiệu quả của nó. Hợp chất này đã quét sạch A. baumannii và giúp những con chuột khỏi bệnh chỉ sau một ngày.

Không chỉ có vậy, nhóm nghiên cứu cho biết vì là một hợp chất hoàn toàn mới, khác xa với các loại kháng sinh hiện có, halicin cũng khó bị kháng lại. Thử nghiệm cho thấy những con E. coli tiếp xúc liên tục với halicin trong vòng một tháng không hề tiến hóa để kháng lại được nó.

Halicin tỏ ra hiệu quả với ciprofloxacin, một thế hệ kháng sinh cũ.

Một tin vui hơn nữa, halicin có lẽ không phải là ứng cử viên tiềm năng duy nhất. Trong tương lai, chúng ta có thể có nhiều loại kháng sinh mới hơn nữa, nếu chịu khó đi vào những vùng đất hoang dã, nơi có những hợp chất hóa học chưa được khám phá tới.

Sử dụng thuật toán của mình để quét qua ZINC15, một cơ sở dữ liệu khổng lồ chứa khoảng 1,5 tỷ hợp chất hóa học, các nhà khoa học MIT tiếp tục tìm thấy 23 ứng cử viên khác có tiềm năng kháng khuẩn tương tự như halicin.

Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy 8 trong số 23 hợp chất này cũng có thể trở thành những loại thuốc kháng sinh mới. Trong thời gian tới đây, chúng sẽ tiếp tục được thử nghiệm trên chuột.

Ngoài việc tìm ra các hợp chất kháng sinh mới, các nhà nghiên cứu hi vọng công việc của họ cũng có thể cho phép thiết kế ra các loại kháng sinh mạnh hơn, nhờ vào việc tăng cường tính chất của các loại hợp chất thuốc đang được sử dụng hiện tại.

Nhận định về nghiên cứu mới, Roy Kishony, một giáo sư sinh học và khoa học máy tính tại Viện Công nghệ Israel cho biết: 

"Công trình đột phá này đã cho thấy một sự thay đổi trong mô hình phát hiện kháng sinh. Cách tiếp cận này cho phép sử dụng các thuật toán học máy ở tất cả các giai đoạn phát triển kháng sinh, từ khám phá ra hợp chất mới, đến tăng cường hiệu quả và độc tính của nó [với vi khuẩn]".

Tham khảo Feelitshareit