AI, 슈퍼버그 제거를 위한 약 백만 개의 잠재적인 항생제 발견

 

인간과 박테리아는 끊임없는 전쟁을 벌이고 있다.

대부분의 역사에서 박테리아가 승리했다. 1928년 이전에는 단순히 무릎을 긁거나 저녁 요리를 할 때 베인 상처, 출산 시 감염으로 사망할 수 있었다.

곰팡이에서 분비되는 분자인 페니실린의 발견으로 균형이 바뀌었다. 처음으로 인간은 반격할 수 있는 방법을 갖게 되었다. 그 이후로 여러 세대의 항생제가 박테리아 성장의 여러 단계를 표적으로 삼아 체내로 퍼져 다른 사람을 감염시키기 전에 효율적으로 제거해 왔다.

 

그러나 박테리아는 진화론적으로 우위를 점하고 있다. 그들의 DNA는 항생제를 포함한 진화적 압력에 쉽게 적응하므로 약물을 피하기 위해 세대에 걸쳐 돌연변이를 일으킬 수 있다. 그들은 또한 적응된 DNA를 근처의 다른 박테리아에 전송하는 일종의 "전화선"을 가지고 있어 항생제에도 저항할 수 있는 힘을 제공한다. 헹구고 반복한다. 곧 전체 박테리아 개체군이 반격할 수 있는 능력을 갖게 된다.

 

우리는 서서히 전쟁에서 패하고 있을지도 모른다. 항생제 내성은 이제 공중보건 위협이 되어 2019년 전 세계적으로 약 127만 명의 사망자를 발생시켰다. 세계보건기구(WHO)를 비롯한 여러 기관에서는 차세대 항생제가 없으면 수술, 암 화학요법, 기타 생명을 구하는 치료법이 감염으로 인한 사망 위험이 증가할 것이라고 말한다.

전통적으로 새로운 항생제를 개발, 테스트하고 최종적으로 환자에게 도달하는 데는 약 10년이 걸린다.

 

"항생제 발견을 위한 새로운 방법이 시급히 필요하다"라고 전산 생물학자이자 이 주제에 대한 새로운 연구의 저자인 루이스 페드로 코엘료(Luis Pedro Coelho) 박사는 보도 자료에서 말했다.

코엘료와 팀은 AI를 활용하여 전체 프로세스 속도를 높였다. 그들은 환경의 유전 물질에 대한 거대한 데이터베이스를 분석하여 거의 백만 개의 잠재적인 항생제를 발견했다.

 

연구팀은 AI가 발견한 항생제 100종을 실험실에서 합성했다. 현재 약물에 저항하는 것으로 알려진 박테리아에 대해 테스트한 결과, 63개의 박테리아가 시험관 내부에서 쉽게 감염을 퇴치한 것으로 나타났다. 하나는 피부병에 대한 쥐 모델에서 특히 효과가 좋았으며 박테리아 감염을 파괴하고 피부가 치유되도록 했다.

 

“항생제 발견의 AI는 이제 현실이 되었으며 새로운 후보 약물을 발견하는 능력을 크게 가속화했다. 한때 몇 년이 걸렸던 일이 이제는 컴퓨터를 사용하면 몇 시간 안에 이루어질 수 있다.”라고 연구 공동 저자인 펜 메디신(Penn Medicine)의 세자르 데 라 푸엔테(César de la Fuente)박사는 또 다른 보도 자료에서 말했다.

 

항생제의 적

항생제를 당연하게 여기기 쉽다. 항상 무선 이어버드를 착용하여 귀에 감염되었다고 가정해 보겠다. 처방전을 받고 약을 바르면 모든 것이 순조롭게 진행된다.

 

또는 그럴까? 시간이 지남에 따라 방울이 감염을 막는 데 어려움을 겪을 수 있다. 이 "항생제 저항성"은 박테리아와 인류 사이의 진화 전쟁에서 핵심이다.

항생제는 일반적으로 박테리아가 여러 가지 방법으로 복제되는 것을 막는 역할을 한다. 인간 세포와 마찬가지로 박테리아 세포에는 DNA 및 기타 생물학적 구성 요소를 내부에 유지하는 포장지인 세포벽이 있다. 한 종류의 항생제는 벽을 파괴하여 병원체가 퍼지는 것을 방지한다. 다른 것들은 유전 물질을 표적으로 삼거나 박테리아가 생존하는 데 필요한 대사 경로를 억제한다.

 

이러한 모든 전략은 의학을 발견하고 발전시키기 위해 수십 년의 연구가 필요했다. 그러나 미생물은 빠르게 돌연변이를 일으킨다. 예를 들어, 일부 박테리아는 말 그대로 약물을 배출하는 "펌프"를 표면에 생성한다. 다른 사람들은 DNA 돌연변이를 통해 단백질 표적 부위를 약간 변경하여 항생제 효과를 중성화함으로써 항생제를 차단하는 효소를 진화시킨다.

 

각 전략 자체는 발전하기 어렵다. 그러나 박테리아는 또 다른 속임수를 가지고 있다. 바로 수평 이동이다. 여기에서 항생제 내성 유전자는 생물학적 "고속도로"(물리적 관)를 통해 이웃 세포로 이동할 수 있는 작은 원형 DNA 조각으로 암호화되어 수용자에게 항생제와 유사한 능력을 부여한다.

 

침입한 박테리아를 죽이는 방법을 찾는 것은 어렵다. 박테리아가 목표를 회피하도록 진화하면 항생제와 화학적으로 유사한 다른 항생제는 빠르게 효과를 잃는다. 그렇다면 박테리아는 물론 자연 자체도 이전에 본 적이 없는 항생제를 찾을 수 있는 방법이 있을까?

 

AI 솔루션

AI는 생물학에 혁명을 일으키기 시작했다. 단백질 구조 예측부터 항체 설계에 이르기까지 이러한 알고리즘은 인류의 가장 심각한 건강 장애 중 일부를 다루고 있다.

전통적으로 항생제를 찾는 것은 대부분 시행착오였다. 과학자들은 종종 잠재적으로 감염과 싸울 수 있는 이국적인 이끼나 다른 출처에서 샘플을 긁어냈다.

 

새로운 연구에서 팀은 항균 펩타이드(AMP)를 기반으로 한 새로운 버전의 항생제를 찾는 것을 목표로 했다. 단백질과 유사하게, 이들은 아미노산이라고 불리는 상대적으로 짧은 분자의 끈으로 구성된다. 이 펩타이드는 살아있는 세계 곳곳에서 발견되며 세포벽을 파괴하고 박테리아를 "폭발"시켜 미생물 성장을 방해할 수 있다. 그들은 이미 임상적으로 항균제로 사용되어 왔으며 현재 효모 감염에 대한 임상 시험에서 테스트되고 있습니다. 그러나 다른 항균제와 마찬가지로 내성 위험이 있다.

 

거의 100년 전 페니실린의 발견이 시사했듯이 자연계는 잠재적인 항생제의 풍부한 원천이다. 이 연구에서 팀은 머신러닝을 사용하여 공개적으로 이용 가능한 63,000개 이상의 메타게놈(환경 내 여러 유기체로부터 분리된 유전 정보)과 거의 88,000개의 고품질 미생물 게놈에서 가능한 항생 특성을 가진 항균 펩타이드를 찾았다. 출처는 전 세계, 바다, 육지에서 왔으며 인간과 동물의 장내 미생물도 포함되어 있다. 이러한 데이터는 누구나 탐색할 수 있도록 공개된 AMPSphere 데이터베이스에 병합되었다.

 

드 라 푸엔테(de la Fuente)는 이 자원을 통해 과학자들이 "우리가 지구상에 가지고 있는 미생물 다양성 전체 또는 그 거대한 표현"을 채굴하고 모든 미생물 암흑 물질 내에 암호화되거나 숨겨진 거의 백만 개의 새로운 분자를 찾을 수 있다고 말했다.

연구 결과를 테스트하기 위해 팀은 100개의 후보를 뽑아 실험실에서 합성했다. 시험관에서 79개는 세포막을 파괴했고, 63개는 위험한 벌레 중 적어도 하나를 완전히 죽였다.

드 라 푸엔테는 "어떤 경우에는 이러한 분자가 매우 낮은 용량으로도 박테리아에 대해 효과적이었다."라고 말했다.

 

다음으로 팀은 쥐에게 피부 병변을 일으키는 위험한 벌레를 해결하기 위해 데이터베이스에서 항생제 펩타이드를 개발했다. 단 한 번의 주사로 AI가 발견한 약물은 박테리아 성장을 억제했으며, 체중 측정에 따르면 쥐는 부작용을 겪지 않는 것으로 나타났다.

“우리는 항생제 발견을 가속화할 수 있었다.” 드 라 푸엔테가 말했다. "따라서 한 개의 후보자를 찾기 위해 5, 6년을 기다려야 하는 대신 이제 컴퓨터에서 단 몇 시간 만에 수십만 명의 후보자를 찾을 수 있다."

이미지 제공: 항생제 내성 포도상구균(노란색)과 죽은 백혈구(빨간색). 국립 알레르기 및 전염병 연구소(NIAID)/NIH