U novoj studiji, istraživači su otkrili nove tajne o fascinantnom sistemu bakterijskog oružja koji deluje kao mikroskopski špric. Istraživački rad pod naslovom „Identifikacija novih toksina povezanih sa ekstracelularnim kontraktilnim injekcionim sistemom korišćenjem mašinskog učenja“ objavljen je u Molecular Sistems Biology.
Predvođen dr Asafom Levijem sa Hebrejskog univerziteta i saradnicima sa Hebrejskog univerziteta i Univerziteta u Ilinoisu Urbana-Champaine, tim je napravio značajne korake u razumevanju ekstracelularnog kontraktilnog injekcionog sistema (eCIS), jedinstvenog mehanizma koji koriste bakterije i archaea za ubrizgavanje toksina u druge organizme.
eCIS je oružje dugo 100 nanometara koje je evoluiralo od virusa koji su prethodno napali mikrobe (fage). Tokom evolucije, ovi virusi su izgubili sposobnost da inficiraju mikrobe i pretvorili su se u špriceve koji ubrizgavaju toksine u različite organizme, kao što su insekti.
Ranije je grupa Levi identifikovala eCIS kao oružje koje nosi više od 1.000 vrsta mikroba. Zanimljivo je da ovi mikrobi retko napadaju ljude, a uloga eCIS-a u prirodi ostaje uglavnom nepoznata. Međutim, znamo da učitava i ubrizgava proteinske toksine.
Specifični proteini koje ubrizgava eCIS i njihove funkcije dugo su ostali misterija. Pre studije znali smo za oko 20 toksina koje eCIS može učitati i ubrizgati.
Da bi rešio ovu biološku zagonetku, istraživački tim je razvio inovativni alat za mašinsko učenje koji kombinuje genetske i biohemijske podatke različitih gena i proteina kako bi precizno identifikovao ove neuhvatljive toksine. Projekat je rezultirao identifikacijom preko 2.000 potencijalnih proteina toksina.
„Naše otkriće ne samo da baca svetlo na to kako mikrobi stupaju u interakciju sa svojim domaćinima, a možda i jedni sa drugima, već takođe pokazuje moć mašinskog učenja u otkrivanju novih funkcija gena“, objašnjava dr Levi. „Ovo bi moglo otvoriti nove puteve za razvoj antimikrobnih tretmana ili novih biotehnoloških alata.“
Koristeći AI tehnologiju, istraživači su analizirali 950 mikrobnih genoma i identifikovali impresivna 2.194 potencijalna toksina. Među njima, četiri nova toksina (nazvana EAT14-17) su eksperimentalno potvrđena pokazujući da mogu inhibirati rast bakterija ili ćelija kvasca.
Zanimljivo je da je otkriveno da jedan od ovih toksina, EAT14, inhibira ćelijsku signalizaciju u ljudskim ćelijama, pokazujući njegov potencijalni uticaj na ljudsko zdravlje. Grupa je pokazala da novi toksini verovatno deluju kao enzimi koji oštećuju ciljne ćelije ciljajući proteine, DNK ili molekul koji je ključan za energetski metabolizam. Štaviše, grupa je uspela da dešifruje kod sekvence proteina koji omogućava punjenje toksina u eCIS špric.
Nedavno je pokazano da se eCIS može koristiti kao programabilni špric koji se može konstruisati za ubrizgavanje u različite tipove ćelija, uključujući ćelije mozga. Nova otkrića iz trenutnog papira koriste ovu sposobnost obezbeđujući hiljade toksina koje eCIS prirodno ubrizgava i kod koji olakšava njihovo punjenje u eCIS špric. Kod se može preneti u druge proteine od interesa.
Nalazi studije mogli bi da imaju dalekosežnu primenu u medicini, poljoprivredi i biotehnologiji. Novoidentifikovani toksini mogu se koristiti za razvoj novih antibiotika ili pesticida, efikasnih enzima za različite industrije ili za projektovanje mikroba koji mogu da ciljaju specifične patogene.
Ovo istraživanje naglašava neverovatan potencijal kombinovanja biologije sa veštačkom inteligencijom za rešavanje složenih problema koji bi na kraju mogli da budu od koristi za ljudsko zdravlje.
„Mi u suštini dešifrujemo oružje koje su bakterije evoluirale i nastavljamo da evoluiramo kako bismo se takmičili oko resursa u prirodi“, dodaje dr Levi. „Mikrobi su kreativni pronalazači i zadovoljstvo je biti deo grupe koja otkriva ove neverovatne i iznenađujuće pronalaske.“
Studiju su vodila dva studenta: Aleks Danov i Inbal Pollin sa odeljenja za biljnu patologiju i mikrobiologiju Instituta za zaštitu životne sredine.
