Конвейер машинного обучения для классификации EAT. Фото: Биология молекулярных систем (2024 г.). DOI: 10.1038/s44320-024-00053-6
В новом исследовании исследователи раскрыли новые секреты удивительной системы бактериального оружия, которая действует как микроскопический шприц. Исследовательская статья под названием «Идентификация новых токсинов, связанных с внеклеточной сократительной системой инъекции, с использованием машинного обучения» опубликована в журнале Molecular Systems Biology
Под руководством доктора Асафа Леви из Еврейского университета и коллег из Еврейского университета и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне команда достигла значительных успехов в понимании внеклеточной сократительной инъекционной системы (eCIS), уникального механизма, используемого бактериями и археями для инъекции токсинов в другие организмы.
Взлом бактериального кода с помощью ИИ
eCIS — это оружие длиной 100 нанометров, которое произошло от вирусов, ранее атаковавших микробов (фагов). В ходе эволюции эти вирусы утратили способность заражать микробов и превратились в шприцы, которые вводят токсины в различные организмы, например, в насекомых.
Ранее группа Леви определила eCIS как оружие, переносимое более чем 1000 видов микробов. Интересно, что эти микробы редко нападают на людей, и роль eCIS в природе остается в основном неизвестной. Однако мы знаем, что он загружает и вводит белковые токсины.
Конкретные белки, вводимые eCIS, и их функции долгое время оставались загадкой. До исследования мы знали около ~20 токсинов, которые eCIS может загружать и вводить.
Чтобы решить эту биологическую головоломку, исследовательская группа разработала инновационный инструмент машинного обучения, который объединяет генетические и биохимические данные различных генов и белков для точной идентификации этих неуловимых токсинов. Проект привел к идентификации более 2000 потенциальных токсинных белков.
«Наше открытие не только проливает свет на то, как микробы взаимодействуют со своими хозяевами и, возможно, друг с другом, но и демонстрирует силу машинного обучения в раскрытии новых функций генов», — объясняет доктор Леви. «Это может открыть новые пути для разработки антимикробных методов лечения или новых биотехнологических инструментов».
Новые токсины с ферментативной активностью против различных молекул
Используя технологию ИИ, исследователи проанализировали 950 микробных геномов и выявили впечатляющие 2194 потенциальных токсина. Среди них четыре новых токсина (названных EAT14-17) были экспериментально подтверждены, продемонстрировав, что они могут подавлять рост бактерий или дрожжевых клеток.
Примечательно, что один из этих токсинов, EAT14, как было обнаружено, подавляет клеточную сигнализацию в клетках человека, демонстрируя его потенциальное влияние на здоровье человека. Группа показала, что новые токсины, вероятно, действуют как ферменты, которые повреждают целевые клетки, нацеливаясь на белки, ДНК или молекулу, которая имеет решающее значение для энергетического метаболизма. Более того, группа смогла расшифровать код последовательности белка, который позволяет загружать токсины в шприц eCIS.
Недавно было продемонстрировано, что eCIS можно использовать в качестве программируемого шприца, который можно спроектировать для инъекций в различные типы клеток, включая клетки мозга. Новые результаты из текущей статьи используют эту возможность, предоставляя тысячи токсинов, которые естественным образом вводятся eCIS, и код, который облегчает их загрузку в шприц eCIS. Код может быть перенесен в другие интересующие белки.
От микроскопических сражений до медицинских прорывов
Результаты исследования могут иметь далеко идущие приложения в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии. Недавно идентифицированные токсины могут быть использованы для разработки новых антибиотиков или пестицидов, эффективных ферментов для различных отраслей промышленности или для разработки микробов, которые могут воздействовать на определенные патогены.
Это исследование подчеркивает невероятный потенциал объединения биологии с искусственным интеллектом для решения сложных проблем, которые в конечном итоге могут принести пользу здоровью человека.
«По сути, мы расшифровываем оружие, которое бактерии развили и продолжают развивать, чтобы конкурировать за ресурсы в природе», — добавляет доктор Леви. «Микробы — творческие изобретатели, и приятно быть частью группы, которая открывает эти удивительные и неожиданные изобретения».
Исследованием руководили два студента: Алекс Данов и Инбал Поллин с кафедры фитопатологии и микробиологии Института наук об окружающей среде.
Дополнительная информация: Алекс Данов и др., Идентификация новых токсинов, связанных с внеклеточной сократительной инъекционной системой, с использованием машинного обучения, Молекулярная системная биология (2024). DOI: 10.1038/s44320-024-00053-6
Информация о журнале: Молекулярная системная биология
Предоставлено Еврейским университетом в Иерусалиме
