Une intelligence artificielle découvre un nouvel antibiotique
À l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, les chercheurs du MIT ont identifié un nouveau composé antibiotique puissant. Lors de tests en laboratoire, ce médicament a tué bon nombre des bactéries pathogènes les plus problématiques au monde, y compris certaines souches résistantes à tous les antibiotiques connus. Il a également éliminé les infections dans deux modèles de souris différents.
Un algorithme a permis d’identifier un puissant antibiotique
Ce modèle informatique, qui peut dépister plus d’une centaine de millions de composés chimiques en quelques jours, est conçu pour détecter les antibiotiques potentiels qui tuent les bactéries en utilisant des mécanismes différents de ceux des médicaments existants.
«Nous voulions développer une plateforme qui nous permettrait d’exploiter la puissance de l’intelligence artificielle pour inaugurer une nouvelle ère de découverte d’antibiotiques», explique James Collins, professeur Termeer de génie et de sciences médicales au MIT’s Institute. « Notre approche a révélé cette molécule étonnante qui est sans doute l’un des antibiotiques les plus puissants qui ait été découvert. »
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont également identifié plusieurs autres candidats antibiotiques prometteurs, qu’ils prévoient de tester dans quelques mois. Ils croient que ce modèle pourrait également être utilisé pour concevoir de nouveaux médicaments, sur la base de ce qu’il a appris sur les structures chimiques qui permettent aux médicaments de tuer les bactéries.
«Ce modèle d’apprentissage automatique peut explorer, in silico, de grands espaces chimiques qui peuvent être prohibitifs pour les approches expérimentales traditionnelles», explique Regina Barzilay, professeur de génie électrique et informatique au MIT’s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).
Les méthodes actuelles sont limitées
Au cours des dernières décennies, très peu de nouveaux antibiotiques ont été développés, et la plupart de ces antibiotiques nouvellement approuvés sont des variantes légèrement différentes des médicaments qui existent déjà. Les méthodes actuelles de dépistage de nouveaux antibiotiques sont souvent d’un coût prohibitif, qui nécessitent un investissement de temps important et sont généralement limitées à un spectre étroit de diversité chimique.
Pour essayer de trouver des composés complètement nouveaux, un chercheur du MIT a fait équipe avec Barzilay, le professeur Tommi Jaakkola et leurs étudiants Kevin Yang, Kyle Swanson et Wengong Jin, qui ont précédemment développé des modèles informatiques d’apprentissage automatique qui peuvent être formés pour analyser les structures moléculaires de composés et pour les corréler avec des traits particuliers, tels que la capacité de tuer les bactéries.
Une fois que cette intelligence artificielle a été formée, les chercheurs l’ont testé sur le Drug Repurposing Hub du Broad Institute, une bibliothèque d’environ 6 000 composés. L’IA a sélectionné une molécule dont on prévoyait une forte activité antibactérienne et une structure chimique différente de tous les antibiotiques existants. En utilisant un modèle d’apprentissage machine différent, les chercheurs ont également montré que cette molécule aurait probablement une faible toxicité pour les cellules humaines.
Ce nouvel antibiotique a été appellé halicine
Cette molécule, que les chercheurs ont décidé d’appeler l’halicine a déjà été étudiée comme médicament contre le diabète. Les chercheurs l’ont testé contre des dizaines de souches bactériennes isolées de patients et cultivées dans des boîtes de laboratoire, et ont constaté qu’il était capable de tuer de nombreuses bactéries résistantes aux traitements actuels, notamment le Clostridium difficile, l’Acinetobacter baumannii et le Mycobacterium tuberculosis. Ce médicament a fonctionné contre toutes les espèces testées, à l’exception de Pseudomonas aeruginosa, un pathogène pulmonaire difficile à traiter.
Des études préliminaires suggèrent que l’halicine tue les bactéries en perturbant leur capacité à maintenir un gradient électrochimique à travers leurs membranes cellulaires. Ce gradient est nécessaire, entre autres fonctions, pour produire de l’ATP (des molécules que les cellules utilisent pour stocker de l’énergie), donc si le gradient se décompose, les cellules meurent. Selon les chercheurs, ce type de mécanisme de destruction pourrait être difficile à combattre pour les bactéries.
Poursuivre les études sur l’halicine pour l’utiliser chez l’humain
Les chercheurs envisagent de poursuivre les études sur l’halicine, en collaboration avec une entreprise pharmaceutique ou une organisation à but non lucratif, dans l’espoir est de le développer pour une utilisation chez l’homme. Les chercheurs prévoient également d’utiliser leur modèle pour concevoir de nouveaux antibiotiques et optimiser les molécules existantes. Par exemple, ils pourraient entraîner ce modèle à ajouter des caractéristiques qui permettraient à un antibiotique particulier de cibler uniquement certaines bactéries, l’empêchant de tuer les bactéries bénéfiques dans le tube digestif d’un patient.
«Ce travail révolutionnaire signifie un changement de paradigme dans la découverte d’antibiotiques et, en fait, dans la découverte de médicaments plus généralement», explique Roy Kishony, professeur de biologie et d’informatique à l’Institut israélien de technologie, qui n’était pas impliqué dans cette étude. «Cette approche permettra d’utiliser l’apprentissage en profondeur à toutes les étapes du développement des antibiotiques, de la découverte à l’amélioration de l’efficacité et de la toxicité en passant par les modifications de médicaments et la chimie médicinale.»
Cette recherche a été publiée dans Cell.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay