绘画抗生素如何行为的一个更全面的了解

机器学习揭示了由药物干扰代谢途径, 提供了新的目标，以打击性. 通过与关键功能，如细菌的细胞壁的DNA复制或施工干扰多数抗生素工作. 然而, 这些机制仅代表抗生素如何行为的全貌的一部分.

在抗菌作用的一项新的研究, 麻省理工学院的研究人员开发出一种新的机器学习方法来发现一个额外的机制，帮助一些抗生素杀死细菌. 该二次机制涉及激活核苷酸的细菌代谢，所述细胞需要复制其DNA.

“有放置在小区作为药物应力的结果戏剧性能量需求. 这些能源需求需要一个代谢反应, 和一些代谢副产物是有毒的，并有助于促进杀死细胞,”詹姆斯·柯林斯说, 医学工程和科学教授特默麻省理工学院学院为医学工程与科学 (IMES) 与生物工程系, 该研究的资深作者. 科林斯也是阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔诊所机器学习中健康的教师共同领导.

利用这个机制可以帮助研究人员发现可用于随着抗生素以提高他们的查杀能力新药, 研究人员说，.

杰森杨, 一个IMES研究科学家, 是论文的主要作者, 出现在5月 9 问题在于 细胞. 其他作者包括莎拉·莱特, 最近MIT猛容器; 梅根汉布林, 前Broad研究所的科研技术; 米格尔Alcantar, 麻省理工学院的研究生; 佳佳Lopatkin, 一个博士后IMES; 道格拉斯麦克洛斯基和诺和诺德基金会中心Biosustainability的Lars Schrubbers; 桑吉塔萨蒂什和阿米尔尼莉, 双方最近波士顿大学的毕业生; 伯恩哈德·帕森, 在加州大学圣地亚哥分校生物工程学教授; 和格雷厄姆·沃克, 生物学的麻省理工学院教授.

“白盒”机器学习

柯林斯和沃克已经研究了抗生素作用机制多年, 他们的工作表明，抗生素治疗往往会造成细胞应激的很大，使细菌细胞巨大的能源需求. 在新的研究中, 柯林斯和阳决定采取机器学习的方法来研究如何发生和后果是什么.

之前，他们开始了他们的计算机模型, 研究人员进行的数百次实验中 Ë. 大肠杆菌. 他们对待细菌与三种抗生素一个 - 氨苄青霉素, 环丙沙星, 或庆大霉素, 并在每个实验, 他们还增加了约一 200 不同的代谢产物, 包括氨基酸的阵列, 碳水化合物, 和核苷酸 (DNA的积木). 对于抗生素和代谢物的每种组合, 他们测量对细胞存活的影响.

“我们用一组不同的代谢紊乱，使我们可以看到扰动核苷酸代谢的影响, 氨基酸代谢, 和其他类型的代谢子网,“谁说. “我们想从根本上理解这为我们了解抗生素如何杀死以前未描述的代谢途径可能是非常重要的。”

许多其他研究人员利用机器学习模型来分析从生物实验数据, 通过训练的算法会根据实验数据来生成预测. 然而, 这些模型是典型的“黑盒,”这意味着他们不透露所依据他们的预测机制.

要解决这个问题, MIT的研究小组采取了一种新的方法，他们称之为“白盒”机器学习. 而是直接将他们的数据为机器学习算法, 他们第一次跑通过它的基因组范围内的计算机模型 Ë. 大肠杆菌 新陈代谢是的特点是保尔松的实验室. 这使他们产生由数据描述的“代谢状态”的阵列. 然后, 他们喂养这些国家为机器学习算法, 这是能够识别不同的状态和抗生素治疗的结果之间的联系.

因为研究人员已经知道，生产的每个状态的实验条件, 他们能够确定哪些代谢通路负责更高水平的细胞死亡.

“我们在这里展示的是由具有网络仿真首先解释这些数据，然后具有机器学习算法建立的预测模型对我们的杀伤力抗生素表型, 是那些获得通过预测模型本身直接映射到途径，我们已经能够通过实验验证所选择的项目, 这是非常令人兴奋,“谁说.

马库斯隐蔽, 生物工程在斯坦福大学的副教授, 说，这项研究朝向示出机器学习的一个重要步骤，可以用于揭示链接的输入和输出的生物学机制.

“生物学, 尤其是对于医疗应用, 是所有关于机制,”隐蔽说, 谁没有参与这项研究. “你想找到的东西，是成药. 对于典型的生物学家, 它一直没有意义的找到这些类型的链接不知道为什么输入和输出连接。”

代谢应激

这个模型产生该核苷酸代谢的新发现, 尤其嘌呤例如腺嘌呤的代谢, 起着抗生素杀死细菌细胞的能力起关键作用. 抗生素治疗导致细胞应激, 这导致细胞低位运行上嘌呤核苷酸. 细胞努力提高产量，这些核苷酸, 所必需的复制DNA, 促进细胞的新陈代谢整体并导致有害的代谢产物堆积，可以杀死细胞.

“我们现在相信发生了什么事情是，在应对这一非常严重的嘌呤枯竭, 细胞打开嘌呤代谢异常，试图处理这一, 而嘌呤代谢本身是非常昂贵的大力因此这放大了精力充沛的不平衡，这些细胞已经面临,“谁说.

调查结果表明，有可能通过与刺激代谢活动的其他药物一起交付他们提高一些抗生素的影响. “如果我们可以移动细胞更积极紧张状态, 并诱导细胞开启更多的代谢活动, 这可能是增强抗生素的方式,“谁说.

在这项研究中所使用的“白箱”建模方法，也可能是有用的研究不同类型的药物是如何影响癌症等疾病, 糖尿病, 或神经变性疾病, 研究人员说，. 现在他们正在使用类似的方法来研究结核病是如何生存的抗生素治疗，并成为耐药.

资源: HTTP://news.mit.edu安妮特拉夫顿