Archeony z gorących źródeł jako źródło nowych antybiotyków odkrytych dzięki AI

Przetrwały miliardy lat w wrzących kwaśnych źródłach, głębinowych kominach hydrotermalnych i na solniskach. Teraz jedne z najstarszych form życia na Ziemi – mikroorganizmy zwane archeonami – oferują nową broń w walce z jednym z najpilniejszych współczesnych zagrożeń zdrowotnych: opornością na antybiotyki.

Nowe antybiotyki z ekstremofilnych archeonów – odkrycia naukowców z University of Pennsylvania

W nowym badaniu opublikowanym w Nature Microbiology naukowcy z University of Pennsylvania wykorzystali sztuczną inteligencję do identyfikacji wcześniej nieznanych związków w archeonach, które mogą posłużyć do opracowania antybiotyków nowej generacji.

„Dotychczasowe poszukiwania nowych antybiotyków koncentrowały się głównie na grzybach, bakteriach i zwierzętach” – wyjaśnia César de la Fuente, profesor nadzwyczajny (Presidential Associate Professor) w dziedzinie inżynierii bioinżynieryjnej, inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Penn Engineering, psychiatrii i mikrobiologii w Perelman School of Medicine oraz chemii w School of Arts & Sciences, główny autor publikacji.

W przeszłości laboratorium de la Fuente wykorzystywało modele AI do identyfikacji potencjalnych antybiotyków w zaskakujących źródłach – od DNA wymarłych organizmów po związki chemiczne w jadach zwierząt. Teraz badacze zastosowali te narzędzia do nowych danych: białek setek pierwotnych mikroorganizmów. „Istnieje cały inny domen życia, który czeka na zbadanie” – mówi de la Fuente.

Nowa granica mikrobiologii

Archeony stanowią odrębną gałąź drzewa życia – różną zarówno od bakterii, jak i eukariontów (obejmujących rośliny, zwierzęta i grzyby).

Choć pod mikroskopem przypominają bakterie, różnią się od nich zasadniczo genetyką, budową błon komórkowych i biochemią. Te cechy pozwalają im przetrwać w najbardziej ekstremalnych środowiskach Ziemi – od przegrzanych kominów głębinowych po wrzące gorące źródła, takie jak w Parku Narodowym Yellowstone.

Ponieważ archeony często rozwijają się tam, gdzie niewiele innych organizmów potrafi przetrwać – znosząc skrajne ciśnienia, toksyczne związki chemiczne i ekstremalne temperatury – ich biologia ewoluowała w nietypowy sposób. To czyni je obiecującym, lecz w dużej mierze niewykorzystanym źródłem nowych narzędzi molekularnych, w tym związków działających podobnie do antybiotyków, ale o odmiennym mechanizmie niż stosowane obecnie.

„Zainteresowały nas archeony, ponieważ musiały wykształcić biochemiczne mechanizmy obronne w niezwykłych warunkach” – mówi Marcelo Torres, współautor pracy i badacz w laboratorium de la Fuente. – „Pomyśleliśmy, że skoro przetrwały miliardy lat w tak wymagającym środowisku, być może opracowały unikalne sposoby zwalczania konkurentów mikrobiologicznych, z których moglibyśmy skorzystać”.

Poszukiwanie antybiotyków z pomocą AI

Aby odkryć potencjalne związki antybiotykowe ukryte w archeonach, badacze wykorzystali sztuczną inteligencję. Sięgnęli po zaktualizowaną wersję APEX – narzędzia AI opracowanego pierwotnie przez laboratorium de la Fuente do wyszukiwania kandydatów na antybiotyki w pierwotnych organizmach, w tym w białkach wymarłych zwierząt, takich jak mamut włochaty.

APEX, który „widział” już tysiące peptydów o znanych właściwościach przeciwbakteryjnych, potrafi przewidzieć, czy dany ciąg aminokwasów będzie miał podobne działanie.

Wersję APEX 1.1 przeszkolono dodatkowo na tysiącach peptydów i informacjach o bakteriach wywołujących choroby u ludzi, aby narzędzie mogło przewidywać, które peptydy w archeonach mogą hamować wzrost bakterii.

Analiza 233 gatunków archeonów ujawniła ponad 12 000 kandydatów na antybiotyki. Badacze nazwali te cząsteczki „archaeasynami”. Analiza chemiczna wykazała, że różnią się one od znanych peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP) m.in. rozkładem ładunku elektrycznego.

Do testów przeciwko rzeczywistym bakteriom wybrano 80 archaeasynów. „Szukanie nowych antybiotyków po jednej cząsteczce to jak poszukiwanie igły w stogu siana” – mówi Fangping Wan, współautor pracy. – „AI przyspiesza proces, wskazując miejsca, gdzie igły są najbardziej prawdopodobne”.

Skuteczność porównywalna z istniejącymi antybiotykami

Antybiotyki działają na różne sposoby – jedne niszczą błonę komórkową bakterii, inne blokują syntezę białek. Naukowcy odkryli, że w przeciwieństwie do większości znanych AMP, które atakują zewnętrzne struktury bakterii, archaeasyny działają od wewnątrz, zakłócając sygnały elektryczne utrzymujące komórkę przy życiu.

W testach na różnych gatunkach chorobotwórczych, lekoopornych bakterii, 93% z 80 badanych archaeasynów wykazało aktywność przeciwdrobnoustrojową wobec co najmniej jednego szczepu. Następnie wybrano trzy cząsteczki do badań na modelach zwierzęcych.

Cztery dni po jednorazowej dawce wszystkie trzy zahamowały rozprzestrzenianie się lekoopornej bakterii często spotykanej w zakażeniach szpitalnych. Jeden z związków wykazał działanie porównywalne z polimyksyną B – antybiotykiem stosowanym jako lek ostatniej szansy w terapii ciężkich zakażeń opornych na leczenie.

„To badanie pokazuje, że w archeonach może kryć się wiele nieodkrytych antybiotyków” – mówi de la Fuente. – „W obliczu narastającej oporności bakterii na obecne leki, kluczowe jest szukanie nowych rozwiązań w niekonwencjonalnych źródłach”.

Kolejne kroki

Naukowcy planują dalsze udoskonalanie APEX tak, aby mógł przewidywać kandydatów na antybiotyki również na podstawie struktury cząsteczki, co może zwiększyć dokładność prognoz. Chcą też lepiej poznać długoterminową skuteczność i bezpieczeństwo archaeasynów, by w przyszłości doprowadzić do ich testów klinicznych u ludzi.

„To dopiero początek” – podsumowuje de la Fuente. – „Archeony to jedne z najstarszych form życia i wciąż mogą nas wiele nauczyć o tym, jak przechytrzyć patogeny, z którymi mierzymy się dziś”.

Źródło: Nature Microbiology, Deep learning reveals antibiotics in the archaeal proteome
DOI: 10.1038/s41564-025-02061-0