Trí tuệ nhân tạo mở ra tiềm năng chống lại vi khuẩn kháng kháng sinh

Vi khuẩn kháng kháng sinh là thủ phạm gây ra cái chết của gần 5 triệu người mỗi năm. Trước tình thế cấp bách này, các nhà nghiên cứu của trường Đại học Y Stanford và McMaster đã cùng nhau phát triển một mô hình AI tạo sinh mang tên SyntheMol. Mô hình này giúp tổng hợp phân tử để sản xuất ra cấu trúc và công thức hóa học cho 6 loại thuốc nhằm tiêu diệt vi khuẩn acinetobacter baumannii, một trong những mầm bệnh chính dẫn đến các trường hợp tử vong có liên quan đến vi khuẩn chống thuốc kháng sinh.

James Zou, phó Giáo sư khoa học dữ liệu y sinh và đồng chủ nhiệm của nghiên cứu cho biết: “Giả thuyết của chúng tôi cho rằng tồn tại nhiều phân tử tiềm năng cho việc sản xuất các loại thuốc có công hiệu, tuy nhiên chúng tôi vẫn chưa thể chế tạo hoặc thử nghiệm chúng. Đó là lý do chúng tôi muốn sử dụng AI để thiết kế ra các phân tử hoàn toàn mới chưa từng xuất hiện trong tự nhiên”.

Trước khi AI tạo sinh ra mắt, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều cách tiếp cận cho việc phát triển kháng sinh bằng những công nghệ trí tuệ nhân tạo sử dụng mô hình ngôn ngữ lớn tương tự khác như ChatGPT. Họ cho vận hành thuật toán để tra cứu các thư viện thuốc và nhận diện các hợp chất có thể chống lại mầm bệnh trên.

Phương pháp này đã sàng lọc được 100 triệu hợp chất đã biết nhưng chỉ chạm đến bề nổi trong việc tìm ra những hợp chất hóa học có đặc tính kháng khuẩn. Theo Kyle Swanson, nghiên cứu sinh khoa học tính toán của Stanford, đồng tác giả của nghiên cứu, ước tính có gần 1060 phân tử thuốc, do đó 100 triệu phân tử không thể bao phủ toàn bộ con số này.

Cơ chế “tưởng tượng” hoặc tự tạo các kết quả hoàn toàn mới của AI tạo sinh có thể là một điểm hữu dụng trong việc phát minh ra thuốc, tuy nhiên nó cũng dẫn tới việc chế ra các hợp chất không thể tồn tại trong thực tiễn. Các nhà nghiên cứu đã đặt các giới hạn hoạt động cho SyntheMol để đảm bảo rằng bất kỳ phân tử nào mà mô hình sáng tạo ra đều có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm.

Mô hình này đã được huấn luyện để tạo ra các loại thuốc tiềm năng bằng cách sử dụng thư viện gồm hơn 130.000 khối phân tử và tập hợp các phản ứng hóa học đã được kiểm chứng. SyntheMol không chỉ cho ra hợp chất sau cùng mà còn trình bày được từng bước thực hiện các thành phần đó, cung cấp cho các nhà nghiên cứu một bộ công thức để sản xuất thuốc.

Các nhà nghiên cứu cũng đào tạo mô hình dựa trên dữ liệu hiện có về hoạt động kháng khuẩn của các hóa chất khác nhau chống lại vi khuẩn A. baumannii. Với những hướng dẫn này và bộ xây dựng cơ sở ban đầu, SyntheMol đã tạo ra khoảng 25.000 loại kháng sinh tiềm năng và các công thức chế tạo chúng trong vòng chưa đầy 9 tiếng. Để ngăn vi khuẩn nhanh chóng phát triển khả năng kháng lại các hợp chất mới, các nhà nghiên cứu đã tiến hành sàng lọc để giữ lại những hợp chất khác hẳn so với các hợp chất hiện có.

Sau khi chọn ra được 70 hợp chất có khả năng tiêu diệt vi khuẩn cao nhất, các nhà khoa học bắt tay với công ty hóa chất Enamine của Ukraina để tổng hợp chúng. Công ty này đã chế tạo thành công 58 hợp chất, 6 trong số đó có thể tiêu diệt chủng A. baumannii khi được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Các hợp chất mới này cũng cho thấy khả năng ngăn ngừa các loại vi khuẩn truyền nhiễm có nguy cơ kháng kháng sinh khác, như E Coli, Klebsiella pneumoniae và MRSA.

Sáu hợp chất này rất khác nhau và không giống với các loại kháng sinh hiện có. Các nhà nghiên cứu chưa xác định được đặc tính kháng khuẩn của chúng ở cấp độ phân tử, nhưng việc khám phá ra chúng có thể cụ thể hóa những nguyên tắc chung cho sự phát triển các loại kháng sinh khác. Phó Giáo sư Zou cho hay bước tiếp theo sẽ là thử nghiệm thuốc trên chuột bị nhiễm khuẩn A. baumannii để xem liệu chúng có tác dụng trên cơ thể sống hay không.

Nhóm nghiên cứu vẫn đang cải tiến và mở rộng phạm vi tiếp cận của SyntheMol, đồng thời, hợp tác với các nhà khoa học khác để sử dụng mô hình này trong việc phát hiện ra thuốc điều trị bệnh tim và tạo ra các phân tử huỳnh quang mới trong phòng thí nghiệm.