Con el uso de inteligencia artificial descubren un potente antibiótico

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Un equipo de investigadores del MIT utilizó inteligencia artificial (IA) para descubrir el poder antibiótico de un compuesto llamado halicina, que en pruebas de laboratorio mató a muchas de las cepas bacterianas multirresistentes. También eliminó las infecciones en dos modelos diferentes de ratones.

En las últimas décadas han surgido escasos antibióticos nuevos, pues la mayoría de los recientemente aprobados son variantes moleculares discretas de los ya existentes. 

Los métodos actuales para el desarrollo de nuevos antibióticos generalmente son onerosos, requieren demasiado tiempo y están restringidos a un espectro reducido de sustancias químicas.

Dada la gravedad de la multirresistencia a los antibióticos, se estima que cerca de 700 000 personas mueren en el mundo cada año por problemas directamente asociados a este problema.

IA y halicina

Los profesores del MIT, Regina Barzilay y James Collins, se asociaron con Tommi Jaakkola y con sus estudiantes para encontrar compuestos nuevos que puedan atacar eficientemente a las bacterias multirresistentes.

Yang y sus alumnos previamente habían desarrollado modelos informáticos de IA capaces de analizar estructuras moleculares de compuestos, en busca de rasgos particulares, como su potencial capacidad bactericida.

El modelo de IA, que puede analizar más de cien millones de compuestos químicos en pocos días, fue diseñado para detectar posibles antibióticos que maten bacterias usando mecanismos diferentes a los de los fármacos ya existentes.

«Queríamos desarrollar una plataforma que nos permitiera aprovechar el poder de la inteligencia artificial para marcar el comienzo de una nueva era de descubrimiento de fármacos antibióticos», dijo Collins. «Nuestro enfoque reveló esta increíble molécula que posiblemente sea uno de los antibióticos más poderosos que se ha descubierto».

En este estudio, los investigadores también identificaron otros candidatos a antibióticos, los cuales, dado su prometedor potencial, planean probar posteriormente. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Cell.

De “in silicio” a “in vivo”

Los investigadores diseñaron su modelo para buscar características químicas en las moléculas que les permitieran matar Escherichia coli (E. coli). Para hacerlo, el modelo fue alimentado con los datos de unas 2500 moléculas, entre medicamentos aprobados por la FDA y productos naturales con diversidad en estructura y en bioactividad.

Una vez que el modelo fue configurado para reconocer las características deseadas, los investigadores lo probaron en el Broad Institute’s Drug Repurposing Hub, una biblioteca que contiene los datos de unos 6000 compuestos.

A partir de estos datos, el modelo seleccionó una molécula que predijo que tendría una fuerte actividad antibacteriana. Además, era poseedora de una estructura química diferente a cualquier antibiótico conocido y con baja toxicidad para las células humanas.

Esta molécula, denominada halicina, había sido investigada como posible medicamento para tratar la diabetes. Fue testeada contra docenas de cepas bacterianas aisladas de pacientes que habían sido cultivadas en el laboratorio.

La halicina fue capaz de matar a muchas de ellas que son resistentes al tratamiento, incluidos Clostridium difficileAcinetobacter baumannii y Mycobacterium tuberculosis. Además, fue activo contra cepas de Enterobacteriaceae, que son resistentes a los carbapenémicos, un grupo de antibióticos que son el último recurso para tales infecciones.

El compuesto funcionó contra todas las especies que probaron, con la excepción de Pseudomonas aeruginosa, un bacilo patógeno pulmonar de difícil tratamiento.

Para evaluar la efectividad de halicina en animales vivos, usaron ratones infectados con una cepa de A. baumannii, que era resistente a todos los antibióticos. Fueron tratados con una pomada de halicina, que eliminó por completo la infección en 24 horas.

En cuanto a las pruebas con E.coli, esta no desarrolló resistencia a la halicina tras un período de tratamiento de 30 días. Por el contrario, comenzó a desarrollar resistencia al ciprofloxacino dentro de las 24 a 72 horas. Después de 30 días, las bacterias eran aproximadamente 200 veces más resistentes al ciprofloxacino que al comienzo del experimento.

Mecanismo de acción y usos

Los estudios sugieren que la halicina mata las bacterias al alterar su capacidad de mantener un gradiente electroquímico a través de sus membranas celulares, mecanismo que es necesario, entre otras funciones, para producir la molécula energética ATP.

Los investigadores creen que ante este tipo de mecanismo bactericida sería más difícil que las bacterias desarrollen resistencia: «Cuando se trata de una molécula que probablemente se asocia con componentes de membrana, una célula no necesariamente puede adquirir una sola mutación o un par de mutaciones para cambiar la química de la membrana externa», dice el investigador Jonathan M. Stokes.

Los investigadores seguirán estudiando la halicina. Planean trabajar con una empresa u organización sin fines de lucro, con la esperanza de desarrollarla para su uso en humanos.

Además, Barzilay planea usar el algoritmo de IA para encontrar antibióticos de mayor selectividad bactericida que mate a las bacterias intestinales patógenas y no a las saludables. Como proyecto más ambicioso, los científicos esperan poder utilizar el algoritmo para diseñar nuevos antibióticos potentes.