يكشف بحث جديد في الجامعة العبرية كيف تستخدم البكتيريا آلية خاصة، مثل حقنة صغيرة، لحقن السموم في الكائنات الحية الأخرى. وباستخدام الذكاء الاصطناعي، حدد الباحثون أكثر من 2,000 مادة سامة محتملة يمكن حقنها من خلال المحقنة، ومن الممكن استخدام بعضها كمضادات حيوية جديدة.
يكشف بحث جديد كيف تستخدم البكتيريا آلية خاصة، مثل حقنة صغيرة، لحقن السموم في الكائنات الحية الأخرى. وهذا مهم لأنه يساعدنا على فهم كيفية تواصل البكتيريا مع مضيفها، وربما مع البكتيريا الأخرى أيضًا. وباستخدام الذكاء الاصطناعي، حدد الباحثون أكثر من 2,000 سم محتمل يمكن حقنها من خلال المحقنة، وبعضها يمكن أن يكون بمثابة مضادات حيوية جديدة. يمكن لهذه النتائج، التي تم الحصول عليها من خلال مزيج من الذكاء الاصطناعي وعلم الأحياء الدقيقة، أن تؤدي إلى طرق جديدة لعلاج الالتهابات وإنشاء أدوات تكنولوجية حيوية جديدة.
المحاقن المجهرية والذكاء الاصطناعي: اكتشف العلماء أسلحة بكتيرية جديدة
في بحث نُشر على غلاف عدد أغسطس 2024 من مجلة Molecular Systems Biology، كشف الباحثون عن أسرار جديدة حول نظام أسلحة بكتيرية رائع يعمل مثل حقنة مجهرية. حقق الفريق، بقيادة الدكتور عساف ليفي من الجامعة العبرية وبالتعاون مع باحثين من الجامعة العبرية وجامعة إلينوي في أوربانا شامبين، تقدمًا كبيرًا في فهم نظام الحقن خارج الخلية (eCIS)، وهي آلية فريدة من نوعها تعمل البكتيريا على قتلها. وتستخدم العتائق لحقن السموم في الكائنات الحية الأخرى.
فك الشيفرة البكتيرية باستخدام الذكاء الاصطناعي
إن eCIS هو سلاح يبلغ طوله 100 نانومتر، وقد تطور من فيروسات كانت تهاجم في السابق الميكروبات (العاثيات). خلال التطور، فقدت هذه الفيروسات قدرتها على إصابة الميكروبات وأصبحت حاقنة تحقن السموم في الكائنات الحية المختلفة، مثل الحشرات. في السابق، حددت مجموعة ليفي البحثية eCIS كسلاح يحمله أكثر من 1,000 نوع من الميكروبات. نادرًا ما تهاجم هذه الميكروبات البشر، ولا يزال دور eCIS في الطبيعة غير معروف إلى حد كبير (جيلر وآخرون 2021). ومع ذلك، فإننا نعلم أنه يتم تحميله ويحقن السموم البروتينية.
ظلت البروتينات المحددة التي يتم حقنها بواسطة eCIS ووظائفها لغزًا لفترة طويلة. قبل الدراسة، كنا نعرف حوالي 20 مادة سامة يمكن لـ eCIS تحميلها وحقنها. لحل هذا اللغز البيولوجي، طور فريق البحث أداة مبتكرة للتعلم الآلي تجمع بين البيانات الجينية والكيميائية الحيوية لمختلف الجينات والبروتينات لتحديد هذه السموم المراوغة بدقة. أدى المشروع إلى تحديد أكثر من 2,000 بروتين سام محتمل.
يوضح الدكتور ليفي: «لا يسلط اكتشافنا الضوء فقط على الطريقة التي تتواصل بها الميكروبات مع مضيفيها وربما مع بعضها البعض، ولكنه يوضح أيضًا قوة التعلم الآلي في اكتشاف وظائف جينية جديدة. وهذا يمكن أن يفتح آفاقًا جديدة لتطوير مضادات الميكروبات العلاجات أو أدوات التكنولوجيا الحيوية المبتكرة."
سموم جديدة ذات أنشطة إنزيمية ضد جزيئات مختلفة
وباستخدام تقنية الذكاء الاصطناعي، قام الباحثون بتحليل 950 جينومًا ميكروبيًا وحددوا 2,194 سمًا محتملًا. ومن بين هذه السموم، تم تأكيد أربعة سموم جديدة (تسمى EAT14-17) تجريبيًا من خلال إثبات قدرتها على تثبيط نمو الخلايا البكتيرية أو خلايا الخميرة. ومن المثير للإعجاب، أن أحد هذه السموم، EAT14، وجد أنه يمنع الإشارات داخل الخلايا في الخلايا البشرية، مما يسلط الضوء على قدرته على التأثير على صحة الإنسان. وأظهرت المجموعة أن السموم الجديدة ربما تعمل كأنزيمات تدمر الخلايا المستهدفة عن طريق إتلاف البروتينات أو الحمض النووي أو الجزيء المهم لاستقلاب الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تمكنت المجموعة من فك شفرة تسلسل البروتين الذي يتيح تحميل السموم في حقنة eCIS. لقد ثبت مؤخرًا أنه يمكن استخدام eCIS كحاقن قابل للبرمجة يمكن تصميمه للحقن في أنواع مختلفة من الخلايا، بما في ذلك خلايا الدماغ (Krietz et al. 2023). تستفيد النتائج الجديدة من الورقة الحالية من هذه القدرة من خلال توفير آلاف السموم التي يتم حقنها بشكل طبيعي بواسطة eCIS والكود الذي يسمح بتحميلها في حاقن eCIS. يمكن نقل الكود إلى بروتينات أخرى ذات أهمية.
من الأساليب المجهرية إلى الإنجازات الطبية
يمكن أن يكون لنتائج البحث آثار واسعة في مجال الطب والزراعة والتكنولوجيا الحيوية. يمكن استخدام السموم التي تم تحديدها حديثًا لتطوير مضادات حيوية أو مبيدات حشرية جديدة، أو إنزيمات فعالة لمختلف الصناعات، أو لهندسة الميكروبات التي يمكنها استهداف مسببات أمراض معينة. يسلط هذا البحث الضوء على الإمكانات الهائلة للجمع بين علم الأحياء والذكاء الاصطناعي لحل المشكلات المعقدة التي يمكن أن تفيد صحة الإنسان في النهاية.
ويضيف الدكتور ليفي: "إننا في الواقع نقوم بفك رموز الأسلحة التي طورتها البكتيريا ونستمر في تطويرها للتنافس على الموارد في الطبيعة". ".
أشرف على البحث الطالبان أليكس دانوف وإنفال بولين من قسم أمراض النبات والأحياء الدقيقة بمعهد العلوم البيئية، بالتعاون مع البروفيسور تومي كابلان (كلية علوم وهندسة الكمبيوتر) والدكتور فيليبوس أ. باباثانوس (قسم علم الحشرات) من الجامعة العبرية في القدس، وبالتعاون مع البروفيسور بريندا أ. ويلسون من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
