La IA pone al descubierto nuevos antibióticos en microbios antiguos
Las denominadas arqueas, que prosperan en ambientes extremos de la Tierra, podrían ser la base de antibióticos de próxima generación para combatir bacterias resistentes.
Las arqueas son formas de vida muy antiguas que sobreviven en entornos y condiciones extremas.
Han sobrevivido durante miles de millones de años en ácidos hirvientes, respiraderos de aguas profundas y salares. Ahora, algunas de las formas de vida más antiguas de la Tierra -microbios llamados arqueas- ofrecen una nueva arma en la lucha contra una de las amenazas para la salud más urgentes de la actualidad: la resistencia a los antibióticos. Así lo pone de manifiesto un nuevo estudio publicado en Nature Microbiology, en el que investigadores de la Universidad de Pensilvania, en Filadelfia, Estados Unidos, han utilizado inteligencia artificial (IA) para identificar compuestos previamente desconocidos en las denominadas arqueas o Archaea que podrían impulsar el desarrollo de antibióticos de próxima generación.
César de la Fuente, autor principal del artículo y profesor catedrático en la citada universidad donde lidera el Machine Biology Group, que tiene como objetivo principal desarrollar nuevos antibióticos mediante ordenadores, señala que “los esfuerzos anteriores para encontrar nuevos antibióticos se han centrado principalmente en hongos, bacterias y animales”.
Anteriormente, en su laboratorio se han utilizado modelos de IA para identificar candidatos a antibióticos en diversas fuentes improbables, desde el ADN de organismos extintos hasta las sustancias químicas presentes en el veneno animal. Actualmente, han incorporado estas herramientas a un nuevo conjunto de datos: las proteínas de cientos de microbios antiguos. “Hay todo un nuevo ámbito de la vida por explorar”, afirma De la Fuente, quefue fue reconocido por el MIT Technology Review como uno de los innovadores más importantes del mundo por “digitalizar la evolución para crear antibióticos mejores”.
Explorando una frontera microbiana
A diferencia de las bacterias y de los eucariotas (que incluyen plantas, animales y hongos), las arqueas ocupan su propia rama en el árbol de la vida.
Aunque se asemejan a las bacterias al microscopio, las arqueas difieren fundamentalmente en su genética, membranas celulares y bioquímica. Estas diferencias les permiten sobrevivir en algunos de los entornos más extremos de la Tierra, desde respiraderos submarinos sobrecalentados hasta aguas termales abrasadoras como las del Parque Nacional de Yellowstone.
Dado que las arqueas a menudo prosperan donde pocos organismos pueden, soportando presiones aplastantes, sustancias químicas tóxicas y temperaturas extremas, su biología ha evolucionado de forma inusual. Esto las convierte en una fuente prometedora, aunque en gran medida desaprovechada, de nuevas herramientas moleculares, incluyendo compuestos que podrían funcionar como antibióticos, pero de forma diferente a los que se utilizan actualmente.
Según Marcelo Torres, investigador asociado del Laboratorio de De la Fuente y coautor principal del artículo, les atrajeron las arqueas porque han tenido que desarrollar defensas bioquímicas en entornos inusuales. Pensamos así que, si han sobrevivido durante miles de millones de años en esas condiciones, tal vez han desarrollado formas únicas de combatir a los competidores microbianos, y tal vez podríamos aprender de ello”.
Para descubrir posibles compuestos antibióticos ocultos en las arqueas, los investigadores recurrieron a la inteligencia artificial. El equipo utilizó una versión actualizada de APEX, una herramienta de IA desarrollada originalmente por el laboratorio de De la Fuente para identificar candidatos a antibióticos en la biología antigua, incluyendo las proteínas de animales extintos como el mamut lanudo.
Habiendo visto miles de péptidos (cadenas cortas de aminoácidos) con propiedades antimicrobianas conocidas, APEX puede predecir la probabilidad de que una secuencia dada de aminoácidos tenga efectos similares.
Al reentrenar APEX 1.1 con miles de péptidos adicionales e información sobre bacterias que causan enfermedades en los humanos, los investigadores prepararon la herramienta para predecir qué péptidos en Archaea podrían inhibir el crecimiento bacteriano.
Arquesinas y candidatos a antibióticos
El análisis de 233 especies de arqueas reveló más de 12. 000 candidatos a antibióticos. Los investigadores denominaron a estas moléculas arqueasinas, cuyo análisis químico reveló que difieren de los péptidos antimicrobianos (AMP) conocidos, en particular en su distribución de carga eléctrica.
Los investigadores seleccionaron 80 arqueasinas para probarlas contra bacterias reales. “Intentar encontrar nuevos antibióticos molécula por molécula es como buscar agujas en un pajar”, afirma Fangping Wan , investigador postdoctoral en el Laboratorio de De la Fuente y otro coautor principal del artículo. “La IA acelera el proceso al identificar dónde es probable que se encuentren las agujas”.
Los antibióticos actúan de diversas maneras. Algunos perforan las membranas bacterianas, mientras que otros inhiben la capacidad de los organismos para producir proteínas. Los investigadores descubrieron que, a diferencia de la mayoría de los AMP conocidos, que atacan las defensas externas de una bacteria, las arqueasinas parecen desatascarlas desde el interior, alterando las señales eléctricas que mantienen viva a la célula.
En pruebas contra diversas bacterias patógenas resistentes a los fármacos, el 93% de las 80 arqueasinas estudiadas demostraron actividad antimicrobiana contra al menos una bacteria. Los investigadores seleccionaron tres arqueasinas para probarlas en modelos animales.
Cuatro días después de una dosis única, las arqueasinas detuvieron la propagación de una bacteria resistente a los fármacos, que suele contraerse en hospitales. Uno de los tres compuestos mostró una actividad comparable a la de la polimixina B, un antibiótico comúnmente utilizado como última línea de defensa contra las infecciones resistentes a los fármacos.
“Esta investigación demuestra que existen potencialmente muchos antibióticos por descubrir en las arqueas”, afirma De La Fuente, quien prosigue señalando que dado que cada vez más bacterias desarrollan resistencia a los antibióticos existentes, es crucial encontrar nuevos antibióticos en lugares no convencionales para reemplazarlos”.
Futuros pasos
El próximo paso previsto de este equipo es mejorar APEX para que pueda predecir candidatos a antibióticos según su estructura, lo que podría mejorar la precisión de la herramienta. También esperan comprender mejor la eficacia y seguridad a largo plazo de las arqueasinas, con el objetivo de que algún día se puedan someter a ensayos clínicos en humanos. “Esto es solo el principio. Las arqueas son una de las formas de vida más antiguas y, sin duda, tienen mucho que enseñarnos sobre cómo superar a los patógenos a los que nos enfrentamos hoy”, concluye De La Fuente. Raquel Serrano (DM)
