MIT’de görevli bilim insanları, üretken yapay zeka teknolojilerini kullanarak, ilaçlara karşı direnç geliştiren bakterilerle mücadele edebilecek tamamen yeni nesil antibiyotikler tasarladı. Bu çığır açıcı biyoteknoloji çalışması, küresel sağlık sorunlarına çözüm potansiyeli taşıyor.
Araştırma, yeni antibiyotikler geliştirmek üzere iki yenilikçi yapay zeka yaklaşımını bir araya getirdi. İlk yöntem olan “parça tabanlı tasarım”da, antibakteriyel etki gösterme potansiyeli olan küçük kimyasal birimler (fragmanlar) belirlendi. Önceden eğitilmiş makine öğrenimi modelleriyle 45 milyonluk devasa bir kimyasal kütüphane taranarak, insan sağlığına zararlı veya mevcut antibiyotiklere benzer yapılar elendi. Bu eleme sonucunda yaklaşık bir milyon aday molekül elde edildi. Seçilen bu adaylardan biri, CReM ve F-VAE gibi yapay zeka algoritmalarıyla işlenerek milyonlarca yeni moleküler yapıya dönüştürüldü. Bu sentezlenebilir moleküllerden “NG1” adı verilen bir bileşik, hem laboratuvar ortamında hem de fare modellerinde ilaç dirençli gonore enfeksiyonlarını başarıyla ortadan kaldırdı.
İkinci bir yöntem olarak “serbest tasarım” benimsendi. Bu yaklaşımda, yapay zekadan herhangi bir kimyasal kısıtlama olmaksızın özgün moleküller üretmesi istendi. CReM ve VAE algoritmaları aracılığıyla 29 milyondan fazla teorik molekül üretildi. Kapsamlı filtreleme süreçlerinden sonra 90 aday molekül belirlendi; bunlardan 22’si sentezlendi. Sentezlenen moleküllerden altısının, metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) üzerinde güçlü antibakteriyel aktivite gösterdiği tespit edildi. Özellikle “DN1” adlı molekül, farelerdeki cilt enfeksiyonlarının tedavisinde umut vadeden sonuçlar verdi.
Bu yeni nesil moleküllerin en dikkat çekici özelliği, bilinen antibiyotiklerden yapısal ve mekanistik olarak tamamen farklı olmalarıdır. Örneğin, NG1, bakterilerin dış zarında kritik bir rol oynayan LptA adlı proteini hedef alarak hücre zarının sentezini bozmakta ve böylece bakteriyi etkisiz hale getirmektedir. DN1 ise daha geniş spektrumlu etki mekanizmalarıyla bakteri zarının bütünlüğünü bozmaktadır. Bu keşifler, sadece mevcut ilaçların türevlerini üretmek yerine, tamamen yeni etki mekanizmalarına sahip ilaçların geliştirilebileceğinin önemli bir kanıtıdır.
MIT Biyomedikal Mühendislik Profesörü James Collins’in vurguladığı gibi, yapay zeka artık yalnızca mevcut molekül kütüphanelerini taramakla kalmayıp, henüz keşfedilmemiş kimyasal uzaylarda yepyeni moleküller yaratma potansiyeli sunarak antibiyotik geliştirme alanında eşi benzeri görülmemiş bir keşif dönemini başlatmıştır. Bugüne dek Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylanan yeni antibiyotiklerin büyük bir çoğunluğu, var olan ilaçların küçük yapısal varyasyonlarıydı. Yapay zekanın sunduğu bu özgün alternatifler, bakterilerin mevcut antibiyotiklere karşı giderek artan direnci göz önüne alındığında kritik bir öneme sahiptir. Zira her yıl beş milyondan fazla ölüme neden olan ilaç dirençli bakterilere karşı etkili olabilecek yeni tedavilerin geliştirilmesi elzemdir.
NG1 ve DN1 molekülleri henüz klinik araştırma aşamasına girmemiş olsa da, araştırma ekibi bu molekülleri optimize etmek ve klinik öncesi testlere hazırlamak için yoğun bir çalışma yürütmektedir. Bilim insanları, aynı platformu tüberküloz etkeni Mycobacterium tuberculosis ve Pseudomonas aeruginosa gibi diğer ölümcül bakterilere karşı da uygulamayı hedeflemektedir.