Chống kháng kháng sinh: Ý tưởng từ AI và người Neanderthal đã tuyệt chủng

Mối họa từ vi khuẩn kháng kháng sinh

Theo WHO, khi thế giới phải đối mặt với gần 5 triệu ca tử vong mỗi năm liên quan đến tình trạng vi khuẩn kháng kháng sinh, sự cần thiết trong việc tìm ra các loại thuốc tiềm năng để có thể đối phó với tình trạng này là vô cùng cấp bách.

Mới đây, nhóm nghiên cứu do nhà tiên phong về công nghệ sinh học César de la Fuente dẫn đầu đang sử dụng các phương pháp tính toán dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) để khai thác các đặc tính di truyền từ những họ hàng đã tuyệt chủng của loài người như người Neanderthal, nhằm đưa kháng sinh của họ trở lại từ 40.000 năm trước.

Mô hình loài người đã tuyệt chủng Neanderthal. Ảnh: Getty

Qua nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện một số phân tử protein hoặc peptide nhỏ có khả năng chống lại vi khuẩn, điều này có thể tạo tiền đề cho các loại thuốc mới chống nhiễm trùng ở người.

Kháng sinh (như penicillin) là loại được sản xuất tự nhiên (bởi một vi sinh vật chống vi sinh vật khác), trong khi kháng khuẩn không phải kháng sinh (như sulfonamide và antiseptic) là chất được tổng hợp hoàn toàn.

Tuy nhiên, cả hai loại đều có chung mục tiêu là giết hoặc ngăn chặn vi sinh vật sinh trưởng và cả hai đều nằm trong hóa trị liệu kháng khuẩn. Các chất kháng khuẩn bao gồm thuốc sát khuẩn, xà phòng kháng khuẩn, chất tẩy hóa học; trong khi kháng sinh là loại kháng khuẩn quan trọng dùng chuyên biệt hơn trong y khoa và đôi khi trong thức ăn chăn nuôi.

Kháng sinh không có tác dụng chống lại virus gây các bệnh ví dụ như cảm lạnh hay cúm, thuốc ức chế virus được gọi là thuốc chống virus hoặc kháng virus chứ không phải kháng sinh.

“Nó cho phép chúng tôi khám phá những trình tự mới, những loại phân tử mới chưa từng được phát hiện ở các sinh vật sống, mở ra cho chúng tôi suy nghĩ rộng hơn về sự đa dạng phân tử”, tiến sĩ Cesar de la Fuente từ Đại học Pennsylvania (Mỹ), người đứng đầu nhóm nghiên cứu cho biết. “Vi khuẩn ngày nay chưa từng tiếp xúc với những phân tử mới đó, do đó đây có thể là cơ hội tốt để đối phó với các mầm bệnh khó chữa hiện nay”.

Các chuyên gia cho rằng những phát hiện mới về vấn đề vi khuẩn kháng kháng sinh là vô cùng cần thiết. “Thế giới đang phải đối mặt với cuộc khủng hoảng kháng thuốc kháng sinh... Nếu chúng ta cần quay về quá khứ để đưa ra các giải pháp tiềm năng cho tương lai thì tôi hoàn toàn ủng hộ”, ông Michael Mahan, giáo sư khoa sinh học phân tử, tế bào và phát triển tại Đại học California (Mỹ) cho biết.

Những gợi ý từ “Công viên kỷ Jura”

Hầu hết các loại kháng sinh đều có nguồn gốc từ vi sinh vật và nấm, được phát hiện bằng cách sàng lọc các vi sinh vật sống trong đất. Nhưng trong những thập kỷ gần đây, tình trạng lạm dụng kháng sinh đã khiến các mầm bệnh phát triển khả năng kháng thuốc.

Trong thập kỷ qua, ông De la Fuente đã sử dụng các phương pháp tính toán để đánh giá tiềm năng của nhiều loại peptide có thể thay thế cho kháng sinh. Vào một ngày ở trong phòng thí nghiệm, bộ phim bom tấn “Công viên kỷ Jura” bất ngờ được đề cập, giúp nhóm nhà khoa học nảy ra ý tưởng nghiên cứu các phân tử đã tuyệt chủng. “Tại sao không mang các phân tử từ quá khứ quay trở lại?”, ông nói.

Để tìm ra các peptide chưa được biết đến trước đây, nhóm nghiên cứu đã đào tạo một thuật toán AI có khả năng nhận biết các vị trí bị phân mảnh trong protein của con người có thể có hoạt tính kháng khuẩn. Sau đó, các nhà khoa học áp dụng nó vào các chuỗi protein có sẵn công khai của người hiện đại (Homo sapiens), người Neanderthal (Homo neanderthalensis) và người Denisovan - một loài người cổ xưa khác có liên quan chặt chẽ với người Neanderthal.

Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng đặc tính của các peptide kháng khuẩn trước đây để dự đoán loại peptide cổ xưa nào có khả năng tiêu diệt vi khuẩn cao nhất.

Tiếp theo, nhóm tổng hợp và thử nghiệm 69 peptide có khả năng nhất để xem liệu chúng có thể tiêu diệt vi khuẩn hay không. Nhóm nghiên cứu đã chọn ra 6 loại mạnh nhất, trong đó có 4 loại từ người hiện đại, 1 loại từ người Neanderthal và 1 từ người Denisovans.

Nhóm cho chúng tiếp xúc với những con chuột bị nhiễm vi khuẩn Acinetobacter baumannii, một nguyên nhân phổ biến gây nhiễm trùng bệnh viện ở người. (Nhiễm trùng bệnh viện là loại nhiễm trùng người bệnh mắc phải khi đang nằm điều trị trong bệnh viện mà lúc nhập viện không có).

Nhà tiên phong về công nghệ sinh học César de la Fuente của Đại học Pennsylvania cho biết, trong số 6 peptide được chọn bằng thuật toán, 1 peptide từ người Neanderthal đạt hiệu quả cao nhất trong việc chống lại mầm bệnh ở chuột bị nhiễm vi khuẩn. (Ảnh: Đại học Pennsylvania)

“Tôi nghĩ một trong những khoảnh khắc thú vị nhất là khi chúng tôi phục hồi các phân tử trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp hóa học và sau đó lần đầu tiên chúng tôi làm cho chúng sống lại. Thật tuyệt vời từ góc độ khoa học khi chứng kiến khoảnh khắc đó”, ông De la Fuente chia sẻ.

Kết quả thí nghiệm, ở những con chuột bị nhiễm bệnh phát triển áp xe trên da, các peptide đã tích cực tiêu diệt vi khuẩn; ở con bị nhiễm trùng đùi, các peptide hoạt động kém hiệu quả hơn nhưng vẫn ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn.

“Loại peptide tốt nhất là loại mà chúng tôi gọi là Neanderthalien 1, của người Neanderthal, và đó là loại hiệu quả nhất khi thí nghiệm trên chuột”, ông De la Fuente nói.

Cần thêm nhiều nghiên cứu

Tuy nhiên, ông De la Fuente nhấn mạnh rằng không có peptide nào đủ tiêu chuẩn để “sẵn sàng dùng làm thuốc kháng sinh” mà thay vào đó sẽ cần điều chỉnh rất nhiều. Trong nghiên cứu dự kiến công bố vào năm tới, ông và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình học sâu mới để khám phá chuỗi protein của 208 sinh vật đã tuyệt chủng có thông tin di truyền chi tiết.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy hơn 11.000 peptide kháng khuẩn tiềm năng chưa từng phát hiện trước đây chỉ có ở các sinh vật đã tuyệt chủng, đồng thời tổng hợp các peptide triển vọng nhất từ loài voi ma mút lông xù Siberia, loài bò biển Steller (một loài động vật có vú ở biển đã tuyệt chủng vào thế kỷ 18 do hoạt động săn bắn ở Bắc Cực), loài lười khổng lồ và nai sừng tấm Ailen khổng lồ (Megaloceros giganteus). Ông nói rằng các peptide mới được phát hiện có “hoạt động chống nhiễm trùng tuyệt vời” ở chuột.

Tiến sĩ Dmitry Ghilarov, trưởng nhóm tại Trung tâm John Innes ở Vương quốc Anh cho biết nút thắt trong việc tìm kiếm kháng sinh mới là loại kháng sinh này có thể không ổn định và khó tổng hợp. “Có rất nhiều loại kháng sinh peptide này không được ngành công nghiệp phát triển và theo đuổi vì những khó khăn như độc tính”, Ghilarov cho biết.

Theo một bài báo xuất bản vào tháng 5/2021, trong số 10.000 hợp chất hứa hẹn được các nhà nghiên cứu xác định, chỉ có một hoặc hai loại thuốc kháng sinh nhận được sự chấp thuận của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ.

Tiến sĩ Monique van Hoek, giáo sư và phó giám đốc nghiên cứu tại Trường Sinh học Hệ thống của Đại học George Mason (Mỹ) cho biết rất hiếm khi một peptide được tìm thấy trong tự nhiên lại trực tiếp tạo ra một loại thuốc hoặc loại kháng sinh mới khác.

Theo bà Van Hoek, vệc phát hiện ra một peptide mới sẽ tạo ra tiền đề cho các nhà nghiên cứu, giúp họ sử dụng các kỹ thuật tính toán để mày mò và tối ưu hóa tiềm năng trở thành một loại thuốc kháng sinh mới của peptide.

Hiện bà Van Hoek đang tập trung nghiên cứu vào một peptide tổng hợp có nguồn gốc từ loại peptide tự nhiên ở cá sấu Mỹ. Hiện peptide đang được thử nghiệm tiền lâm sàng.

Bà Van Hoek nói rằng mặc dù có vẻ kỳ quặc khi tìm nguồn kháng sinh mới từ cá sấu hoặc người đã tuyệt chủng, nhưng mức độ nghiêm trọng của tình trạng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh khiến các nghiên cứu này trở nên đáng giá.

Hoài Phương (theo CNN)