Die Entdeckung und Verwendung von Antibiotika geht bis auf das 10. Jahrhundert mit der ‘Balds Augensalbe’ zurück und ist heute mit den Namen Louis Pasteuer, Paul Ehrlich und Alexander Fleming verbunden. Antiobiotika gelten als einer der großen Meilensteine der Innovation in der Geschichte der Menschheit, die auf einer Stufen stehen mit Innovationen wie das Rad, das Feuer oder die Schrift.
Heute biegt sehr deutlich die Immunität resp. Resistenz vieler Bakterien und Pilze gegen Antibiotika um die Ecke, wo das aktuelle pandemische Geschehen rund um das COVID-Virus sich harmlos ausnimmt. Die Resistenz von Bakterien kann ein globaler Killer für die Menschheit werden.
Die Tel Aviv University (TAU) hat hier einen Ansatz gefunden. Zuerst klingt es Paradox, doch ein wenig hilft der Vergleich des Trojanischen Pferdes, um den Weg bildlicher zu verstehen. Forscher der Tel Aviv University haben eine Plattform für künstliche Intelligenz geschaffen, die die spezifischen Proteine identifizieren kann, die es Bakterien ermöglichen, den Darm zu infizieren – eine Methode, die den Weg für die Schaffung von intelligenten Medikamenten ebnet, die die Proteine neutralisieren und Krankheiten verhindern, ohne den Einsatz von Antibiotika.
“Krankheitserregende Bakterien werden mit Antibiotika behandelt“, sagt Prof. Tal Pupko von der Tel Aviv University und führt weiter aus: “Aber Antibiotika töten eine große Anzahl von Bakterienarten, in der Hoffnung, dass auch die pathogenen Bakterien vernichtet werden. Antibiotika sind also nicht ein Gewehr, sondern eine Kanone. Außerdem führt der übermäßige Einsatz von Antibiotika zur Entwicklung von antibiotikaresistenten Bakterien, ein weltweites Problem, das sich immer mehr verschärft. Das Verständnis der molekularen Grundlage der Krankheit ist ein notwendiger Schritt zur Entwicklung von Medikamenten, die intelligenter sind als Antibiotika und die die Bakterienpopulation im Darm überhaupt nicht schädigen. Dieses Mal haben wir die Effektoren der Darmbakterien entdeckt, die die Nager angreifen, aber das ist erst der Anfang. Wir arbeiten bereits daran, Effektoren in anderen Bakterien nachzuweisen, um besser zu verstehen, wie sie ihre Mission in den Zielzellen, die sie angreifen, erfüllen.“
An der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, waren die Doktorandin Naama Wagner und Prof. Tal Pupko, Leiter der Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research an der Fakultät für Biowissenschaften und des neuen Center for Artificial Intelligence & Data Science an der Universität Tel Aviv, beteiligt. Zu den internationalen Partnern der Studie gehörten Forscher vom Imperial College (unter der Leitung von Prof. Gad Frankel) und dem Institute for Cancer Research in London sowie von der Technischen Universität und dem Nationalen Zentrum für Biotechnologie in Madrid.
Und in der Presseaussendung führt die Tel Aviv University weiter aus: “Intestinale Krankheiten werden durch pathogene Bakterien verursacht, die sich an unsere Darmzellen anheften. Einmal angeheftet, benutzen die Bakterien eine Art molekulare Spritze, um Darmzellen mit Proteinen, sogenannten “Effektoren”, zu injizieren. Diese Effektoren arbeiten zusammen, um gesunde Zellen zu übernehmen, ähnlich wie Hacker, die mit einer Kombination von Codezeilen einen Computerserver übernehmen.
Bislang wussten Wissenschaftler jedoch nicht, welche Proteinkombination es ist, die die Abwehrmechanismen der Zelle knackt. Nun hat die Plattform für künstliche Intelligenz der Forscher der Universität Tel Aviv neuartige Effektoren in den Bakterien identifiziert, die experimentell getestet und validiert wurden. Anschließend wurden in Laborexperimenten in London erfolgreich die Proteinkombinationen vorhergesagt, die dazu führen, dass die pathogenen Bakterien den Darm übernehmen.
“In dieser Studie haben wir uns auf ein Bakterium konzentriert, das bei Mäusen Darmerkrankungen verursacht, einen Verwandten der E. coli-Bakterien, die beim Menschen Darmerkrankungen verursachen, um nicht direkt mit dem menschlichen Erreger zu arbeiten“, erklärt Doktorandin Naama Wagner. “Die künstliche Intelligenz, die wir geschaffen haben, kann Effektoren in einer Vielzahl von pathogenen Bakterien vorhersagen, darunter auch Bakterien, die Pflanzen von wirtschaftlicher Bedeutung angreifen. Ermöglicht wurden unsere Berechnungen durch fortschrittliche Machine-Learning-Tools, die die genomischen Informationen einer großen Anzahl von Bakterien nutzen. Unsere Partner in England haben experimentell bewiesen, dass das Lernen extrem genau war und dass die von uns identifizierten Effektoren tatsächlich die von den Bakterien verwendeten Waffen sind.“”
English Version
The discovery and use of antibiotics dates back to the 10th century with the ‘Bald’s eye ointment’ and is today associated with the names of Louis Pasteuer, Paul Ehrlich and Alexander Fleming. Antiobiotics are considered one of the great milestones of innovation in human history, on a par with innovations such as the wheel, fire or writing.
Today, the immunity or resistance of many bacteria and fungi to antibiotics is very clearly turning the corner, where the current pandemic happening around the COVID virus looks harmless. The resistance of bacteria can become a global killer for mankind.
Tel Aviv University (TAU) has found an approach to this. At first it sounds paradoxical, but a little comparison of the Trojan horse helps to understand the way more figuratively. Tel Aviv University researchers have created an artificial intelligence platform that can identify the specific proteins that allow bacteria to infect the gut – a method that paves the way for the creation of smart drugs that neutralize the proteins and prevent disease without the use of antibiotics.
“Pathogenic bacteria are treated with antibiotics,” says Prof. Tal Pupko of Tel Aviv University, who continues, “But antibiotics kill a large number of bacterial species in the hope that the pathogenic bacteria will also be destroyed. So antibiotics are not a gun, but a cannon. Moreover, the overuse of antibiotics is leading to the development of antibiotic-resistant bacteria, a worsening global problem. Understanding the molecular basis of the disease is a necessary step toward developing drugs that are smarter than antibiotics and that do not harm the bacterial population in the gut at all. This time, we discovered the effectors of gut bacteria that attack rodents, but that’s just the beginning. We’re already working to detect effectors in other bacteria to better understand how they accomplish their mission in the target cells they attack.”
The study, published in the prestigious journal Science, involved Naama Wagner, PhD, and Prof. Tal Pupko, head of the Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research at the Faculty of Life Sciences and the new Center for Artificial Intelligence & Data Science at Tel Aviv University. International partners in the study included researchers from Imperial College (led by Prof. Gad Frankel) and the Institute for Cancer Research in London, as well as from the Technical University and the National Center for Biotechnology in Madrid.
And in the press release, Tel Aviv University continues, “Intestinal diseases are caused by pathogenic bacteria that attach themselves to our intestinal cells. Once attached, the bacteria use a kind of molecular syringe to inject intestinal cells with proteins called “effectors.” These effectors work together to take over healthy cells, much like hackers using a combination of lines of code to take over a computer server.
Until now, however, scientists didn’t know which protein combination it was that cracked the cell’s defenses. Now, the artificial intelligence platform of Tel Aviv University researchers has identified novel effectors in the bacteria that were experimentally tested and validated. Subsequently, laboratory experiments in London successfully predicted the protein combinations that lead to the pathogenic bacteria taking over the gut.
“In this study, we focused on a bacterium that causes intestinal disease in mice, a relative of the E. coli bacteria that causes intestinal disease in humans, to avoid working directly with the human pathogen,” explains Naama Wagner, PhD. “The artificial intelligence we created can predict effectors in a wide range of pathogenic bacteria, including bacteria that attack plants of economic importance. Our calculations were made possible by advanced machine learning tools that use genomic information from a large number of bacteria. Our partners in England have experimentally demonstrated that the learning was extremely accurate and that the effectors we identified are indeed the weapons used by the bacteria.””