經(jīng)過AI挖掘到的抗菌肽分子（10倍最低抑菌濃度）處理后的大腸桿菌。透射電鏡下可明顯觀察到大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)容物的泄露及細(xì)胞膜或細(xì)胞壁的破壞。論文作者供圖

在人體的“宇宙”中，居住著數(shù)百萬種微生物。它們相生相克、相互制衡，維持著人體健康的微生態(tài)平衡。

很多常見耐藥菌，如金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌、大腸桿菌等都是人體共生的“原住民”。而人體中同樣存在著克制它們的微生物及其代謝產(chǎn)物。找到這些耐藥菌的“克星”作為藥物是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿問題。

如何在數(shù)以千萬億計(jì)的人體微生物“居民”中“撈出”這些耐藥菌的天然“殺手”呢？面對(duì)這一難題，中國科學(xué)院微生物研究所研究員陳義華和王軍團(tuán)隊(duì)合作，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，從一萬多個(gè)腸道微生物中“海淘”出三個(gè)具有顯著活性和安全性的抗菌肽“潛力股”。相關(guān)研究3月4日發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。

“整個(gè)研究令人振奮！從人體腸道微生物組挖掘抗菌肽的方法十分新穎?！痹摽晃粚徃迦嗽u(píng)論說。

AI開路 “海撈”奏效

長期以來，微生物產(chǎn)生的活性代謝產(chǎn)物是開發(fā)抗菌藥物的重要資源。青霉素、頭孢菌素、紅霉素、萬古霉素、達(dá)托霉素……臨床使用的抗菌藥物中，超過一半來源于微生物。

科學(xué)家認(rèn)為，人體腸道中龐大的微生物“居民”中也蘊(yùn)含著與耐藥病原菌共生的克星，它們的代謝產(chǎn)物能夠抑制耐藥菌的活性。

抗菌肽（AMPs）就是這樣一類具有抗微生物活性的小肽（序列在幾個(gè)到幾十個(gè)氨基酸殘基之間）。以往研究發(fā)現(xiàn)，它們經(jīng)過簡單的后修飾或不經(jīng)任何修飾就能直接發(fā)揮作用，達(dá)到抑制病原微生物的效果。它們能抵御多重耐藥菌，同時(shí)不易產(chǎn)生耐藥性的抗菌肽，被認(rèn)為是可能替代傳統(tǒng)抗生素的下一代抗菌劑。

近些年來，測序技術(shù)發(fā)展誕生的海量微生物組數(shù)據(jù)為人們尋找這樣的活性肽提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。但挖掘方法的局限阻礙了相關(guān)研究的步伐。

一次午餐時(shí)，研究細(xì)菌的陳義華和做生物信息學(xué)的王軍談到此事，便一拍即合，躍躍欲試。

“人體腸道微生物互作網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，存在許多序列短、多樣性高、相似性低的功能多肽，怎么區(qū)分它們是個(gè)難題。”文章共同通訊作者王軍向《中國科學(xué)報(bào)》解釋，人工智能深度學(xué)習(xí)方法為此提供了機(jī)遇。

研究團(tuán)隊(duì)采用自然語言學(xué)習(xí)（NLP）的多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，把氨基酸序列當(dāng)做“語言”，訓(xùn)練人工智能學(xué)習(xí)現(xiàn)有抗菌肽的組織方式，從而讓其根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)”識(shí)別氨基酸短序列，區(qū)分相似的多肽。通過選取三種NLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測鑒定，他們實(shí)現(xiàn)了抗菌肽挖掘模型的構(gòu)建和優(yōu)化。在測試集中，該模型的精確度達(dá)到了91.31%。

有了模型，接下來的就是放開手腳挖掘數(shù)據(jù)——研究團(tuán)隊(duì)對(duì)1萬多個(gè)微生物組進(jìn)行了“海淘”，挖掘并合成了216種潛在的新型抗菌肽。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中181種新型抗菌肽具有抗菌活性（占83.8%）。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，抗菌肽對(duì)多重耐藥革蘭氏陰性菌具有較強(qiáng)的抑菌能力。

這些抗菌肽是否新穎呢？對(duì)此，王軍表示：“它們絕大多數(shù)與已知的抗菌肽序列同源性低于40%。而且最終選取的抗菌肽作用機(jī)制不單一，體現(xiàn)出我們的方法沒有特定的偏好性?！?/p>

層層篩選 “萬里挑三”

新抗菌肽拿到了，接踵而至的是三個(gè)關(guān)鍵問題：它們的抗菌活性究竟如何？作用機(jī)理是什么？是否安全可靠？

首先，陳義華團(tuán)隊(duì)對(duì)181種抗菌肽的活性逐一測試，并在此基礎(chǔ)上選取了其中最有效的11種進(jìn)行了新一輪測試。其測試對(duì)象包括糞腸球菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鮑曼不動(dòng)桿菌、綠膿桿菌、陰溝腸桿菌和大腸桿菌等病原細(xì)菌。

“我們發(fā)現(xiàn)這些抗菌肽只需要少許劑量就能實(shí)現(xiàn)多重耐藥菌的顯著抑制能力?！闭撐墓餐髡哧惲x華向記者介紹，11種抗菌肽對(duì)單個(gè)菌的最低抑菌濃度（MIC）大部分值低于每升50微摩爾（即百萬分之五十摩爾）。在針對(duì)臨床分離得到的鮑曼不動(dòng)桿菌、肺炎克雷伯菌和大腸桿菌等多重耐藥菌活性測試中，有10種抗菌肽顯示出強(qiáng)抑制能力。

為了解其作用機(jī)理，研究者通過對(duì)11種抗菌肽進(jìn)行測試，確定了其中部分肽的作用位點(diǎn)分別為細(xì)胞膜和細(xì)胞壁?！叭绻秒娮语@微鏡觀察，可以看到和抗菌肽共培養(yǎng)的大腸桿菌細(xì)胞膜明顯破裂。這樣細(xì)胞內(nèi)容物外流，耐藥微生物就被殺死了?！标惲x華向記者解釋。

透射電鏡下觀察未經(jīng)抗菌肽處理的大腸桿菌超薄切片（放大倍數(shù)8000），細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整。 論文作者供圖

透射電鏡下觀察抗菌肽處理的大腸桿菌超薄切片（1倍最低抑菌濃度，放大倍數(shù)8000），可觀察到細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞和皺縮。論文作者供圖

透射電鏡下觀察抗菌肽處理的大腸桿菌超薄切片（10倍最低抑菌濃度，放大倍數(shù)8000），可明顯觀察到細(xì)胞結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞和內(nèi)容物泄露。論文作者供圖

據(jù)介紹，經(jīng)過長達(dá)30天的連續(xù)傳代培養(yǎng)，研究者并未觀察到大腸桿菌產(chǎn)生任何抗性。另外，他們還發(fā)現(xiàn)這11種優(yōu)質(zhì)抗菌肽中有超過一半的小肽由alpha-螺旋結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，這種小肽或具有更強(qiáng)的抑菌活性。

通過溶血實(shí)驗(yàn)（紅細(xì)胞破裂溶解）和細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，他們進(jìn)一步從11種抗菌肽中篩選出了3種溶血性和細(xì)胞毒性相對(duì)較低的小肽。小鼠模型實(shí)驗(yàn)表明，這3種小肽治療后小鼠比未進(jìn)行任何治療的小鼠體重恢復(fù)速率明顯較快；同時(shí)，治療組的肺部組織病原菌遺留量比非治療組下降了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。驗(yàn)證了這三類多肽的有效性和安全性。

“這項(xiàng)工作非常有意義。它利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式挖掘新穎的抗菌肽，然后通過細(xì)致的微生物學(xué)測試研究它們的功能，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域有啟發(fā)作用?！绷硪晃粚徃迦嗽u(píng)論說。

或迎來多肽類藥物爆發(fā)期

當(dāng)前，傳統(tǒng)新藥開發(fā)困難重重，從候選小分子出發(fā)，要經(jīng)過很多輪的篩選，每一步都有很多的失敗率。經(jīng)常，一個(gè)藥物投入幾十億美元，最后折戟而歸。

很多人常用“十年十億美金”來形容一款新藥的開發(fā)成本。但事實(shí)上有時(shí)還會(huì)低估其真實(shí)的研發(fā)成本。美國塔夫茨大學(xué)藥物發(fā)展研究中心2016年研究發(fā)現(xiàn)，最終獲美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)的每種創(chuàng)新藥物總平均成本或高達(dá)25.58億美元。

“如果一開始候選分子的范圍比較窄，失敗的風(fēng)險(xiǎn)和投入的成本會(huì)更高。”王軍說，“我們的方法說明，通過深度學(xué)習(xí)可以更快、更高效地確定更多的候選分子，在此基礎(chǔ)上一步步篩選，極大縮減了時(shí)間和實(shí)驗(yàn)的成本。”

他表示，理論上多肽藥物可選擇的序列是“天文級(jí)”的，遠(yuǎn)超ZINC15數(shù)據(jù)庫（目前最大的有機(jī)小分子化合物庫之一）現(xiàn)在收集的1億余種化學(xué)類分子總量。然而，因?yàn)殚_發(fā)、利用的效率低，過去40年里獲批的多肽藥物數(shù)量十分有限。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的深入發(fā)展，或?qū)⒂瓉矶嚯念愃幬锏谋l(fā)期。生物學(xué)家可以通過海量的基因組數(shù)據(jù)，大量發(fā)現(xiàn)，乃至主動(dòng)設(shè)計(jì)、從頭生產(chǎn)自然界不存在的活性肽。“這是未來的發(fā)展方向?！蓖踯娬f。

陳義華也表示，在此次研究中，微生物在復(fù)雜的人體環(huán)境中產(chǎn)生抗菌肽的巨大潛能，提供了通過微生態(tài)關(guān)系從微生物組數(shù)據(jù)中直接挖掘活性代謝產(chǎn)物的證據(jù)和良好范例。

作者表示，目前的研究僅通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明部分多肽的有效性和安全性，提供了一個(gè)成藥的候選分子或前體分子。接下來需要進(jìn)行臨床前的成藥性等評(píng)價(jià)，挖掘相關(guān)分子在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。（馮麗妃）

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01226-0