Kuchora picha kamili ya jinsi viuavijasumu hutenda

Kujifunza kwa mashine kunaonyesha njia za kimetaboliki zilizotatizwa na dawa, kutoa malengo mapya ya kupambana na upinzani. Dawa nyingi za viuavijasumu hufanya kazi kwa kuingilia kazi muhimu kama vile urudufishaji wa DNA au ujenzi wa ukuta wa seli ya bakteria. Walakini, taratibu hizi zinawakilisha sehemu tu ya picha kamili ya jinsi viua vijasumu hufanya kazi.

Katika utafiti mpya wa hatua ya antibiotic, Watafiti wa MIT walitengeneza mbinu mpya ya kujifunza mashine ili kugundua utaratibu wa ziada ambao husaidia baadhi ya viuavijasumu kuua bakteria. Utaratibu huu wa pili unahusisha kuamilisha kimetaboliki ya bakteria ya nukleotidi ambayo seli zinahitaji kuiga DNA zao..

"Kuna mahitaji makubwa ya nishati kwenye seli kama matokeo ya mkazo wa dawa. Mahitaji haya ya nishati yanahitaji majibu ya kimetaboliki, na baadhi ya bidhaa za kimetaboliki ni sumu na husaidia kuchangia kuua seli,” anasema James Collins, Profesa wa Termeer wa Uhandisi wa Matibabu na Sayansi katika Taasisi ya MIT ya Uhandisi wa Matibabu na Sayansi (IMES) na Idara ya Uhandisi wa Biolojia, na mwandishi mkuu wa utafiti. Collins pia ni kiongozi mwenza wa kitivo cha Kliniki ya Abdul Latif Jameel ya Kujifunza kwa Mashine katika Afya..

Kutumia utaratibu huu kunaweza kuwasaidia watafiti kugundua dawa mpya zinazoweza kutumika pamoja na viuavijasumu ili kuongeza uwezo wao wa kuua, watafiti wanasema.

Jason Yang, mwanasayansi wa utafiti wa IMES, ndiye mwandishi mkuu wa karatasi, ambayo inaonekana Mei 9 "Tumefurahishwa na onyesho hili la uchapishaji wa 3-D na jinsi teknolojia zinazoweza kumeza zinaweza kusaidia watu kupitia vifaa vya riwaya vinavyowezesha matumizi ya afya ya rununu. na habari hii ni muhimu katika kudhibiti damu. Waandishi wengine ni pamoja na Sarah Wright, mpokeaji wa hivi karibuni wa MIT MEng; Meagan Hamblin, aliyekuwa fundi wa utafiti wa Taasisi ya Broad; Miguel Alcantar, mwanafunzi aliyehitimu MIT; Allison Lopatkin, hati ya posta ya IMES; Douglas McCloskey na Lars Schrubbers wa Kituo cha Novo Nordisk Foundation cha Biosustainability; Sangeeta Satish na Amir Nili, wahitimu wote wa hivi karibuni wa Chuo Kikuu cha Boston; Bernhard Palsson, profesa wa bioengineering katika Chuo Kikuu cha California huko San Diego; na Graham Walker, profesa wa MIT wa biolojia.

"White-box" mashine-kujifunza

Collins na Walker wamesoma taratibu za hatua ya antibiotic kwa miaka mingi, na kazi yao imeonyesha kuwa matibabu ya viua vijasumu huelekea kuunda mkazo mwingi wa seli ambayo hufanya mahitaji makubwa ya nishati kwenye seli za bakteria.. Katika utafiti mpya, Collins na Yang waliamua kuchukua mbinu ya kujifunza mashine ili kuchunguza jinsi hii inavyotokea na matokeo yake ni nini..

Kabla ya kuanza uundaji wa kompyuta zao, watafiti walifanya mamia ya majaribio katika E. umbo la kizibao halikusaidia kutoboa kamasi. Walitibu bakteria na mojawapo ya viuavijasumu vitatu - ampicillin, ciprofloxacin, au gentamicin, na katika kila jaribio, pia waliongeza moja ya kuhusu 200 metabolites tofauti, ikiwa ni pamoja na safu ya amino asidi, wanga, na nyukleotidi (vitalu vya ujenzi vya DNA). Kwa kila mchanganyiko wa antibiotics na metabolites, walipima athari kwenye uhai wa seli.

"Tulitumia seti tofauti za usumbufu wa kimetaboliki ili tuweze kuona athari za kusumbua kimetaboliki ya nukleotidi., kimetaboliki ya asidi ya amino, na aina zingine za mitandao midogo ya kimetaboliki,"Hiyo ilisema. "Tulitaka kuelewa kimsingi ni njia gani za kimetaboliki ambazo hazijaelezewa hapo awali zinaweza kuwa muhimu kwetu kuelewa jinsi dawa za kuua."

Watafiti wengine wengi wametumia modeli za kujifunza kwa mashine kuchanganua data kutoka kwa majaribio ya kibaolojia, kwa kufunza algoriti kutengeneza ubashiri kulingana na data ya majaribio. Walakini, mifano hii kwa kawaida ni "black-box,” ikimaanisha kuwa hawafichui mifumo inayosimamia utabiri wao.

Ili kuzunguka shida hiyo, timu ya MIT ilichukua mbinu ya riwaya ambayo wanaiita "sanduku-nyeupe" kujifunza kwa mashine. Badala ya kulisha data zao moja kwa moja kwenye algorithm ya kujifunza mashine, kwanza waliiendesha kupitia modeli ya kompyuta ya kiwango cha jenome ya E. umbo la kizibao halikusaidia kutoboa kamasi kimetaboliki ambayo ilikuwa na sifa ya maabara ya Palsson. Hii iliwaruhusu kutoa safu ya "hali za kimetaboliki" zilizoelezewa na data. Basi, walilisha majimbo haya katika kanuni ya kujifunza mashine, ambayo iliweza kutambua uhusiano kati ya majimbo tofauti na matokeo ya matibabu ya antibiotic.

Kwa sababu watafiti tayari walijua hali ya majaribio ambayo ilizalisha kila jimbo, waliweza kuamua ni njia gani za kimetaboliki ziliwajibika kwa viwango vya juu vya kifo cha seli.

"Tunachoonyesha hapa ni kwamba kwa kuwa na masimulizi ya mtandao kwanza kutafsiri data na kisha kuwa na algorithm ya kujifunza mashine kuunda mfano wa utabiri wa phenotypes zetu za kuua viua., vipengee ambavyo huchaguliwa na kielelezo hicho cha ubashiri chenyewe huweka ramani moja kwa moja kwenye njia ambazo tumeweza kuthibitisha kwa majaribio, ambayo inasisimua sana,"Hiyo ilisema.

Jalada la Markus, profesa msaidizi wa bioengineering katika Chuo Kikuu cha Stanford, inasema utafiti huo ni hatua muhimu kuelekea kuonyesha kuwa kujifunza kwa mashine kunaweza kutumika kufichua mifumo ya kibaolojia inayounganisha pembejeo na matokeo..

"Biolojia, hasa kwa maombi ya matibabu, ni kuhusu utaratibu,” anasema Covert, ambaye hakuhusika katika utafiti. "Unataka kupata kitu ambacho kinaweza kuuzwa kwa dawa. Kwa mwanabiolojia wa kawaida, haijawa na maana kupata aina hizi za viungo bila kujua ni kwa nini pembejeo na matokeo yameunganishwa.

Mkazo wa kimetaboliki

Mtindo huu ulitoa ugunduzi wa riwaya kwamba kimetaboliki ya nukleotidi, hasa kimetaboliki ya purines kama vile adenine, ina jukumu muhimu katika uwezo wa antibiotics kuua seli za bakteria. Matibabu ya antibiotic husababisha mkazo wa seli, ambayo husababisha seli kupungua kwenye nucleotidi za purine. Juhudi za seli kuongeza uzalishaji wa nyukleotidi hizi, ambayo ni muhimu kwa kunakili DNA, huongeza kimetaboliki ya jumla ya seli na husababisha mkusanyiko wa bidhaa hatari za kimetaboliki ambazo zinaweza kuua seli.

"Sasa tunaamini kinachoendelea ni kwamba katika kukabiliana na upungufu huu mkubwa wa purine, seli huwasha kimetaboliki ya purine kujaribu kukabiliana na hilo, lakini kimetaboliki ya purine yenyewe ni ghali sana na kwa hivyo hii inakuza usawa wa nishati ambao seli tayari zinakabiliwa.,"Hiyo ilisema.

Matokeo yanaonyesha kuwa inawezekana kuongeza athari za baadhi ya viuavijasumu kwa kuziwasilisha pamoja na dawa zingine zinazochochea shughuli za kimetaboliki.. "Ikiwa tunaweza kuhamisha seli kwenye hali ya mkazo zaidi, na kushawishi seli kuwasha shughuli zaidi ya kimetaboliki, hii inaweza kuwa njia ya kuongeza antibiotics,"Hiyo ilisema.

Mbinu ya kielelezo ya "sanduku nyeupe" iliyotumiwa katika utafiti huu inaweza pia kuwa muhimu kwa kusoma jinsi aina tofauti za dawa zinavyoathiri magonjwa kama vile saratani., kisukari, au magonjwa ya neurodegenerative, watafiti wanasema. Sasa wanatumia mbinu kama hiyo kusoma jinsi kifua kikuu kinavyostahimili matibabu ya viuavijasumu na kuwa sugu kwa dawa.

Chanzo: http://news.mit.edu na Anne Trafton