科研人員目前正在賓夕法尼亞大學(xué)合成生物學(xué)家César de la Fuente（于2019年5月以首席教授身份加入賓大）的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種不同階段的項(xiàng)目。他的最終目標(biāo)是研制出全球第一款利用計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力“制造”的抗生素。
想象一下，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以學(xué)習(xí)自然界中的分子，并使用一種算法生成新的分子。然后這些分子能被打印出來(lái)并在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行測(cè)試，以對(duì)抗其中一些最令人討厭、最危險(xiǎn)的細(xì)菌，諸如那些很快會(huì)對(duì)我們目前的抗生素選擇產(chǎn)生耐藥性的細(xì)菌。
或者想象一種繃帶，可以檢測(cè)到傷口中不超過(guò)100個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的感染。如果繃帶可以向你的手機(jī)發(fā)送信號(hào)，讓你知道已經(jīng)被感染并允許你按下按鈕啟動(dòng)所植入的療法，將會(huì)怎樣？
上述設(shè)想將不再是科幻小說(shuō)！
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，科研人員目前正在賓夕法尼亞大學(xué)合成生物學(xué)家César de la Fuente（于2019年5月以首席教授身份加入賓大）的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種不同階段的項(xiàng)目。他的最終目標(biāo)是研制出全球第一款利用計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力“制造”的抗生素。但除此之外，他的實(shí)驗(yàn)室（包括3名博士后研究員，1名客座教授，以及少數(shù)研究生和本科生）也做出了許多其它方面的努力，目前該實(shí)驗(yàn)室的研究成果正處于計(jì)算機(jī)科學(xué)與微生物學(xué)的交匯處。
利用機(jī)器學(xué)習(xí)合成的抗生素
無(wú)論是美國(guó)還是世界其它國(guó)家，抗生素耐藥性正在成為一個(gè)危險(xiǎn)的問(wèn)題。根據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（the Centers for Disease Control and Prevention）的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年至少有280萬(wàn)人感染了抗生素?zé)o法治愈的疾病，超過(guò)3.5萬(wàn)人死于這類感染。世界范圍內(nèi)，肺炎和食源性疾病等常見疾病也越來(lái)越難以治療。
市場(chǎng)需要新的抗生素，根據(jù)de la Fuente的說(shuō)法，現(xiàn)在是時(shí)候打破傳統(tǒng)方法了。
在賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院任職的de la Fuente表示，“多年來(lái)，我們一直將自然界作為抗生素的來(lái)源。我的整個(gè)假設(shè)是，大自然可能已經(jīng)‘黔驢技窮’，多年來(lái)，我們一直未找到新的支架。我們是否可以將信息、自然界的化學(xué)數(shù)字化，以創(chuàng)建并開發(fā)新的分子？”
為此，他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向研究氨基酸（蛋白質(zhì)分子的組成成分）。20種氨基酸以無(wú)數(shù)的序列和長(zhǎng)度自然結(jié)合，然后折疊成不同的蛋白質(zhì)。一經(jīng)排序，其可能性比宇宙中的恒星數(shù)量還多。博士后研究員Marcelo Melo指出，“我們永遠(yuǎn)也不可能將它們?nèi)亢铣?，只能看到發(fā)生了什么。我們必須將幾十年的化學(xué)知識(shí)（告訴我們它們是如何運(yùn)作的）與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以找到人類無(wú)法找到的模式。”
通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，研究人員為計(jì)算機(jī)提供可以成功對(duì)抗細(xì)菌的天然分子。計(jì)算機(jī)從這些示例中學(xué)習(xí)，然后生成新的人造分子。Melo繼續(xù)說(shuō)道，“我們反復(fù)嘗試，希望我們找到值得探索的新模式，而不是盲目搜索?！?
計(jì)算機(jī)可以虛擬測(cè)試每個(gè)人造序列，以計(jì)算自然選擇的形式挑選出最成功的部分，而把剩余部分扔掉。那些最有潛力的片段被用來(lái)創(chuàng)建新的序列，理論上每次都會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越好的序列。
De la Fuente的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)得到了一些有希望的結(jié)果，他表示，“我們合成的很多分子都起作用了。最好的合成分子已經(jīng)在動(dòng)物模型中試驗(yàn)。它們能夠減少實(shí)驗(yàn)用小白鼠的感染，這是相當(dāng)酷的一件事，因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程都是由電腦合成的?！北M管如此，de la Fuente表示這項(xiàng)工作距離生產(chǎn)出任何一種可以立即上架的抗生素還很遙遠(yuǎn)。
嵌入生物傳感器的藍(lán)牙創(chuàng)可貼
除了計(jì)算機(jī)生成的抗生素，研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建出了一款嵌入生物傳感器的繃帶原型，該繃帶可以在癥狀出現(xiàn)或傷口感染患者注意到之前發(fā)現(xiàn)感染。它的運(yùn)作原理如下：每個(gè)細(xì)菌都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的分子。放置在開放性傷口上，被電極覆蓋的生物傳感器可以識(shí)別細(xì)菌是否存在，即使細(xì)菌的濃度極低。
