Используя искусственный интеллект, ученые ИТМО выявляют наночастицы, токсичные для патогенных бактерий, но безопасные для полезных микроорганизмов. В перспективе исследование поможет бороться с бактериями, которые выработали устойчивость к антибиотикам. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials Technologies.
При частом употреблении антибиотиков у бактериальных инфекций вырабатывает иммунитет. В такой ситуации альтернативой для лечения могут стать наночастицы, в том числе на основе оксидов металлов. Они способны уничтожать бактерии, выработавшие резистентность, но одновременно вредят полезным микроорганизмам. Эффективный поиск наночастиц, токсичных для патогенных бактерий, но безопасных для остального организма будет полезен в медицине и сельском хозяйстве. Традиционный экспериментальный метод поиска в такой ситуации слишком трудозатратен.
«Очень сложно понять, как подойти к поиску необходимых наночастиц экспериментально. Типов наночастиц огромное множество и непонятно, в каком диапазоне надо пробовать разные соединения. Кроме того, у наночастиц при одинаковом составе может быть разный размер, форма, площадь и заряд поверхности: эти параметры влияют на взаимодействие частиц с бактериями», ― рассказал младший научный сотрудник ИТМО Никита Серов.
Ученые ИТМО создали скрининговую платформу для определения наночастиц, которые избирательно убивают конкретные бактерии, например, вызывающие пневмонию, и не затрагивают полезные микроорганизмы. Разработанный алгоритм позволяет определить, насколько конкретная наночастица токсична для определенной бактерии. Вторая часть платформы попарно проверяет взаимодействие наночастицы с двумя типами бактерий: которые надо уничтожить, и оставить невредимыми.
«Задача этого алгоритма ― менять состав наночастицы так, чтобы она по прогнозам стала минимально токсичной для полезных нам бактерий, и более опасной для патогенных бактерий. Этот эволюционный алгоритм меняет параметры наночастиц: варьирует размеры и составы, пытаясь увеличить разницу в выживаемости между двумя бактериями», ― рассказал Никита Серов.
Наночастицы, эффект которых спрогнозировала платформа, синтезируются и проверяются в экспериментах. Так ученые выяснили, что частицы на основе оксида меди избирательно уничтожают бактерии золотистого стафилококка, а частицы из оксида цинка — бактерии клебсиеллы пневмонии, оставляя нетронутой непатогенную сенную палочку. Результаты работы показывают, что созданный алгоритм подбирает наночастицы в соответствии с исследованиями других коллективов, которые описаны в научной литературе.
«Явление избирательной токсичности, при которой одна бактерия умирает, а другая нет, ― не очень характерно для наночастиц, и в литературе не так много подобных примеров. Мы выяснили, что алгоритм приходит к таким же выводам, которые другие ученые наблюдали в экспериментах. Мы хотели показать, что наночастицы могут служить не только доставщиком, который переносит антибиотики в определенную зону, но и сами могут выполнять часть терапевтической функции. С точки зрения практического применения нас интересует взаимодействие наночастиц с антибиотиками их совместное воздействие на бактерии. Мы планируем моделировать более сложные системы, которые помогут выбрать пару из антибиотика и наночастицы для максимально избирательного эффекта на патогенные бактерии», ― сказал Никита Серов.
Иллюстрация: drmicrobe / ru.123rf.com
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
