اكتشفت جامعة بنسلفانيا 386 ببتيدًا مضادًا للميكروبات جديدًا من سموم الحيوانات وقامت بتطوير نموذج التعلم العميق، APEX، لفحص المرشحين المحتملين للمضادات الحيوية.
كان اكتشاف البنسلين عام ١٩٢٨ بداية عهد جديد في مكافحة البشرية للعدوى البكتيرية. عززت هذه المضادات الحيوية بشكل كبير قدرة البشرية على مكافحة الأمراض المُعدية. ومع ذلك، ومع الاستخدام الواسع والمفرط للمضادات الحيوية في مجالات مثل الطب والزراعة، ظهرت مقاومة البكتيريا، وهي تتفاقم بمعدلات مثيرة للقلق.
مع دخول القرن الحادي والعشرين، أصبحت مقاومة المضادات الحيوية تحديًا رئيسيًا في مجال الصحة العامة العالمية. ووفقًا لبيانات منظمة الصحة العالمية، يموت حوالي 5 ملايين شخص سنويًا حول العالم، بشكل مباشر أو غير مباشر، بسبب العدوى المقاومة للأدوية، والسبب الرئيسي لهذه الأزمة هو النمو والانتشار السريع لمسببات الأمراض المقاومة للمضادات الحيوية. ومن بينها، تُعدّ البكتيريا سالبة الجرام، التي تُصنّفها منظمة الصحة العالمية ضمن "مسببات الأمراض ذات الأولوية"، مصدر قلق بالغ. وبفضل قدرتها القوية على تطوير مقاومة للأدوية، لا تزال هذه البكتيريا هي المسيطرة على "حرب المضادات الحيوية" مع البشر. والأخطر من ذلك أنه في العقود القليلة الماضية،شهد البحث والتطوير في مجال المضادات الحيوية الجديدة ركودًا: فقد حالت تكاليف البحث والتطوير المرتفعة ودورات التجارب السريرية الطويلة دون دخول العديد من شركات الأدوية إلى هذا المجال. وانخفض عدد المضادات الحيوية الجديدة انخفاضًا حادًا، متخلفًا كثيرًا عن تطور البكتيريا المقاومة للأدوية.
في مواجهة هذه المعضلة، بدأ العلماء يوجهون اهتمامهم إلى "كنزٍ دفين" محتمل في الطبيعة: سمّ الحيوانات. فبعد ملايين السنين من التطور الطبيعي، أنتج سمّ الحيوانات تنوعًا جزيئيًا غنيًا للغاية، بما في ذلك الببتيدات والبروتينات النشطة بيولوجيًا.فهو لا يستطيع التفاعل مع مجموعة واسعة من الأهداف البيولوجية فحسب، بل ويُظهِر أيضًا نشاطًا مضادًا للبكتيريا بشكل كبير.في الواقع، يُعدّ استخدام السم في العلوم الطبية الحيوية قصة نجاح راسخة. فقد أصبح زيكونوتيد (الاسم التجاري بريالت®)، المُستخلص من سم الحلزون المخروطي، مُسكّنًا مهمًا للألم المزمن؛ بينما يُعدّ الكابتوبريل، المُستخلص من سم الثعبان، دواءً شائع الاستخدام لخفض ضغط الدم في الممارسة السريرية. تُقدّم هذه الأمثلة رؤىً مهمة في استكشاف السم في مجال مضادات الميكروبات.
وفي هذا السياق،قام فريق بحثي من جامعة بنسلفانيا في الولايات المتحدة بفحص الببتيدات المرشحة المضادة للميكروبات من بروتينات السم في جميع أنحاء العالم بطريقة عالية الإنتاجية واكتشف 386 ببتيد مضاد للميكروبات ذات هياكل جديدة من سموم الحيوانات في جميع أنحاء العالم.ومن بينها، أظهر الجزيء 91.4% الذي تم التحقق منه تجريبياً نشاطاً قوياً مضاداً للبكتيريا، مما يوفر فكرة رائدة لاكتشاف جيل جديد من المضادات الحيوية.
نُشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة Nature Communications تحت عنوان "الاستكشاف الحسابي للسموم العالمية لاكتشاف مضادات الميكروبات باستخدام الذكاء الاصطناعي Venomiks".
أبرز الأبحاث:
* أنشأت هذه الدراسة قاعدة بيانات عالمية للسموم وأنشأت مكتبة مرشحة من الببتيدات المشفرة، والتي تضمنت ما مجموعه 16123 بروتينًا سمًا وأنشأت أكثر من 40 مليون ببتيد مشفر للسم؛
* استخدمت هذه الدراسة نموذج التعلم العميق APEX للتنبؤ بالحد الأدنى للتركيز المثبط لكل ببتيد ضد 34 نوعًا من البكتيريا، وفي النهاية تم فحص 386 ببتيدًا مرشحًا ذو إمكانات مضادة للبكتيريا وتشابه تسلسل منخفض مع AMPs المعروفة؛
* قام فريق البحث بتصنيع واختبار 58 ببتيدًا من 386 VEPs، حيث كان لـ 91.4% (53) منها تأثيرات مثبطة كبيرة على مسببات الأمراض واحدة على الأقل.
عنوان الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60051-6[*](https://arxiv.org/pdf/2507.09466*)
قم بمتابعة الحساب الرسمي ورد "APEX" للحصول على ملف PDF كامل
قاعدة البيانات: مجموعة من 16000 بروتين سم
لتحديد مرشحين جدد لمضادات الميكروبات، جمعت الدراسة تسلسلات بروتينات السم من أربع قواعد بيانات: ConoServer، وArachnoServer، وISOB، وVenomZone، ونتج عنها ما مجموعه 16,123 بروتين سم. يركز ConoServer على الببتيدات المخروطية، بينما يتضمن ArachnoServer سموم العناكب، وISOB هي قاعدة بيانات لسموم الثعابين المحلية في بنغلاديش، بينما يغطي VenomZone، المُجمّع من UniProtKB، بروتينات من ستة أصناف: الثعابين، والعقارب، والعناكب، والقواقع المخروطية، وشقائق النعمان البحرية، والحشرات، الممثلة في هذه الدراسة من قِبل UniProt.
لكلٍّ من هذه المجموعات البيانات خصائص واستخدامات فريدة. وكما هو موضح في الشكل أدناه، يكشف تحليل تداخل الأنواع عبر قواعد البيانات المختلفة أن UniProt يحتوي على أكبر عدد من الأنواع الفريدة، حيث يصل إلى 699 نوعًا، مما يشير إلى تنوع بروتيني أوسع. من ناحية أخرى، يحتوي ConoServer وArachnoServer على مجموعات فرعية صغيرة نسبيًا من الأنواع الفريدة، بينما لا يحتوي ISOB على أي نوع فريد على الإطلاق.ويسمح وجود هذا التنوع للباحثين باستكشاف الببتيدات المضادة للميكروبات في السم من زوايا متعددة، ودمج المعلومات البروتينية من مصادر مختلفة، وزيادة إمكانية اكتشاف ببتيدات مضادة للميكروبات جديدة.
كما هو موضح في الشكل أدناه، عالج الباحثون بروتينات السم هذه لتوليد أكثر من 40 مليون ببتيد مُشفّر سمّي (VEPs). ثم استُخدم نموذج APEX للتعلم العميق للتنبؤ بالنشاط المضاد للميكروبات لهذه الببتيدات، مع تقدير قيمة الحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) لكل ببتيد ضد سلالات بكتيرية، مع استخدام متوسط MIC كمقياس للنشاط المضاد للميكروبات. ومن خلال مزيد من الفحص، حدد الباحثون في النهاية 7379 ببتيدًا مُشفّر سمّيًا بمتوسط MIC ≤ 32 ميكرومول/لتر⁻¹. وبعد الترشيح لتشابه التسلسل مع الببتيدات المضادة للميكروبات المعروفة، تم تحديد 386 مرشحًا. تختلف هذه المرشحات هيكليًا ووظيفيًا عن الببتيدات المضادة للميكروبات المعروفة، مما يوفر أهدافًا قيّمة للتحقق التجريبي اللاحق.
التنبؤ بنموذج APEX: عملية لدمج بيانات بروتيوم السم متعدد المصادر وفحص الببتيدات المرشحة المضادة للميكروبات
نموذج APEX هو أداة تعليم عميق تركز على التعدين المحتمل والتنبؤ بالببتيدات المضادة للميكروبات.تكمن ميزته الأساسية في قدرته على التنبؤ بالنشاط المضاد للميكروبات الخاص بسلالة بكتيرية. بعد التدريب المنهجي، يستطيع النموذج التنبؤ بدقة بقيم الحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) للببتيدات لـ 34 سلالة بكتيرية مختلفة، وهو معيار أساسي لقياس فعالية العوامل المضادة للميكروبات.
تتكون مجموعة بيانات التدريب الخاصة بالنموذج من جزأين:بيانات تسلسل الببتيد المتراكمة داخليًا ومعلومات الببتيد المضاد للميكروبات العامة (AMP) التي تم الحصول عليها من قاعدة بيانات DBAASP.يتيح هذا الدعم المتنوع للبيانات لبرنامج APEX أداءً رائعًا في تحليل العلاقة المعقدة بين تسلسلات الببتيد والنشاط المضاد للبكتيريا، مما يضع أساسًا خوارزميًا قويًا للفحص اللاحق.
من حيث التصميم المعماري، يتبنى APEX إطار عمل نموذجي متعدد الأهداف واستراتيجية "ثلاث خطوات" لفحص جزيئات الببتيد المضادة للميكروبات المرشحة من بروتينات السم.أولاً،تم استخدام طريقة النافذة المنزلقة لبناء مكتبة الببتيد، وتم اختيار أجزاء ذات أطوال تتراوح من 8 إلى 50 حمضًا أمينيًا.ثانيًا،تم استخدام نموذج APEX للتنبؤ بالحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) لهذه الببتيدات ضد سلالات بكتيرية مختلفة؛أخيرا،أدى المزيد من الاختيار على أساس تشابه التسلسل إلى ظهور مجموعة من الببتيدات المشفرة بالسم (VEPs) ذات الهياكل الجديدة والنشاط الممتاز.
يتيح هذا التصميم التحديد الدقيق للجزيئات المرشحة ذات النشاط المضاد للميكروبات المحتمل عند معالجة كميات هائلة من الببتيدات المشفرة بالسم (VEPs). وبالمقارنة مع طرق الفحص التجريبية التقليدية، يُحسّن APEX بشكل ملحوظ كفاءة اكتشاف الببتيدات المضادة للميكروبات، مع تقليل الاعتماد على الاختبارات الكيميائية الحيوية كثيفة الموارد، مما يوفر للباحثين مسار فحص أسرع وأكثر اقتصادًا.
في التطبيقات العملية، يتطلب استخدام نموذج APEX تحضيرًا فنيًا معينًا. يحتاج الباحثون إلى تهيئة بيئة تشغيل مناسبة، بما في ذلك تثبيت Python 3.9، وإصدار محدد من PyTorch، ومجموعة من المكتبات التابعة مثل numpy وscipy وmatplotlib. بمجرد تهيئة البيئة، تُحفظ تسلسلات الببتيدات المرشحة في ملف نصي. بتشغيل الأمر المحدد، يُنشئ النموذج ملف CSV يحتوي على نتائج تنبؤات MIC. بتحليل هذه التنبؤات، يمكن للباحثين تحديد الببتيدات ذات القدرة العالية على مقاومة الميكروبات بسرعة لإجراء المزيد من التحقق التجريبي.
التحقق من النشاط المضاد للبكتيريا لـ VEPs وتحليل آلية عملها
ولإثبات النشاط المضاد للبكتيريا لببتيدات السم المشفرة (VEPs)، أجرى فريق البحث سلسلة من التجارب.في اختبار النشاط المضاد للميكروبات، تم اختبار 58 VEPs ضد مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض.وتظهر النتائج في الشكل أدناه، حيث أظهرت 53 منها (بما يمثل 91.4%) نشاطًا ضد مسببات الأمراض واحدة على الأقل.أظهرت جميع VEPs من قاعدة بيانات ArachnoServer نشاطًا مضادًا للبكتيريا، مما أكد بقوة الإمكانات القوية المضادة للبكتيريا لهذا النوع من الببتيد.
مع ذلك، كانت فعالية بعض الببتيدات منخفضة الفعالية نسبيًا من قاعدة بيانات UniProt. على سبيل المثال، لم يُظهر UniprotKB-2 أي نشاط مضاد للبكتيريا، بينما اقتصرت تأثيرات UniprotKB-6 وUniprotKB-11 على تثبيط بكتيريا Enterococcus faecalis. وكشفت المزيد من التحليلات أن هذه الببتيدات منخفضة النشاط كانت عمومًا منخفضة في كره الماء وشحنتها الصافية - وهي نتيجة تشير إلى أنتلعب كراهية الماء والشحنة الصافية دورًا رئيسيًا في تعزيز التفاعل بين الببتيدات والأغشية البكتيرية، وقد تؤثر مستوياتها بشكل مباشر على فعالية مضادات البكتيريا في VEPs.
في دراسة البنية الثانوية، لاحظ الفريق، من خلال تحليل ثنائي اللون الدائري (CD)، أن التغيرات الهيكلية لـ VEPs تعتمد بشكل كبير على البيئة. في المحاليل المائية، توجد VEPs بشكل رئيسي في بنية غير منظمة؛ ومع ذلك، في بيئة غشائية بكتيرية مُحاكاة (مثل نظام ميسيل SDS) أو وسط تحريض حلزوني (مثل محلول مختلط من ثلاثي فلورو الإيثانول والماء)، تخضع لتحول هيكلي كبير، حيث تتحول من بنية غير منظمة إلى حلزون ألفا. تتوافق هذه الخاصية الهيكلية بشكل كبير مع سلوك الببتيدات المضادة للميكروبات النموذجية.ويشير هذا إلى أن VEPs قد تتكيف بشكل خاص مع الوظائف المرتبطة بالأغشية الحيوية، وهو ما يوفر أيضًا أدلة مهمة على آليتها المضادة للبكتيريا.
فيما يتعلق ببحث آلية العمل، قيّم الفريق آثار بروتينات الببتيدات المشتقة من الخلايا (VEPs) على الأغشية الخارجية للبكتيريا والأغشية السيتوبلازمية من خلال اختبارات الفلورسنت. تظهر النتائج في الشكل أدناه. يمكن لـ 23 بروتين ببتيدًا مشتقًا من الخلايا (VEPs) اختراق الغشاء الخارجي للبكتيريا بفعالية، ومن بينها بروتينات Arachnoserver-18 وConoServer-6 وConoServer-7 التي تتميز بنفاذية عالية. في تجربة إزالة استقطاب الغشاء السيتوبلازمي، كان تأثير إزالة الاستقطاب لمعظم بروتينات الببتيدات المشتقة من الخلايا (VEPs) المختبرة أفضل من تأثير المجموعة الضابطة، ولكنه أضعف قليلاً من تأثير بعض عائلات الببتيدات المعروفة. بشكل عام،يتحقق التأثير المضاد للبكتيريا لـ VEPs بشكل رئيسي عن طريق تحفيز استقطاب الغشاء السيتوبلازمي. تتوافق هذه الآلية مع آلية عمل العديد من الببتيدات المضادة للميكروبات المعروفة وببتيدات التشفير، مما يعزز من جدوى استخدامها كعامل مضاد للبكتيريا جديد.
تتعاون الأوساط الأكاديمية والصناعة لاستكشاف وتطوير أدوية مضادة للميكروبات جديدة منخفضة المقاومة
من أجل تطوير أدوية مضادة للميكروبات جديدة أقل عرضة للتسبب في مقاومة الأدوية، فإن الاستكشاف التعاوني بين الأوساط الأكاديمية ومجتمع الأعمال، من البحث الأساسي إلى التحول الصناعي، يفتح باستمرار إمكانات تطبيق ببتيدات السموم المضادة للميكروبات.
في الأوساط الأكاديمية، أجرت فرق بحثية من دول مختلفة أبحاثًا معمقة حول اكتشاف وتصميم وتحليل آليات ببتيدات السموم المضادة للميكروبات. وعالج فريق مو يوغوانغ في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة مشكلة محدودية النماذج التقليدية في التنبؤ بتفاعلات البروتينات بسبب كمية البيانات وأبعاد الخصائص.تم إنشاء أكبر مجموعة بيانات للتفاعلات البروتينية القائمة على البنية حتى الآن،كما طوروا إطار عمل التعلم العميق ProAffinity-GNN. يدمج هذا النموذج بشكل مبتكر نماذج لغة البروتين مع الشبكات العصبية البيانية، ويربط معلومات التسلسل بعمق مع السمات الهيكلية المكانية. لا يقتصر الأمر على تفوقه على الطرق الحالية في دقة التنبؤ بتقارب البروتينات، بل توفر قدراته التعميمية القوية أيضًا نموذجًا تقنيًا للتنبؤ الفعال بالتفاعلات بين ببتيدات السم والأهداف البكتيرية. علاوة على ذلك، يوفر تحليل آلية العمل دعمًا نظريًا للتصميم الأمثل للببتيدات المضادة للميكروبات.
استخدم فريق من كلية تشيلو الطبية بجامعة شاندونغ نموذج الانتشار في مجال الذكاء الاصطناعي لمحاكاة عملية "الفحص الموجه للاضطراب العشوائي" لتطور الببتيد في الطبيعة.تم إنشاء 40 تسلسل ببتيد جديد بنجاح، أظهر 25 منها نشاطًا مضادًا للبكتيريا أو الفطريات بشكل واضح.
في عالم الأعمال، تُركز شركة بونتيكا الإسرائيلية على نقاط الضعف في مجال حفظ الأغذية، وتستخدم تقنية التخمير الميكروبي لإنتاج كميات كبيرة من الببتيدات المضادة للفطريات المشتقة من السم. سلسلة منتجاتها "فينوم شيلد"،لا يحتاج الأمر سوى جزء واحد في المليون لمنع نمو العفن والخميرة في الخبز والعصير، مما يؤدي إلى إطالة العمر الافتراضي لأكثر من ضعف المدة التي تدومها المواد الحافظة التقليدية.
تتعاون شركة China Shanghai Hi-Tech Bioengineering Co., Ltd. مع جامعة فودان،لقد قمنا معًا ببناء ثلاث قواعد بيانات بروتينية مضادة للميكروبات كاملة نسبيًا في العالم.لا توفر قواعد البيانات هذه أدوات فعالة للبحث والتطوير لإنزيمات مضادة للميكروبات وببتيدات مضادة للميكروبات فحسب، بل تعمل أيضًا على تسريع البحث عن مواد جديدة ضد الكائنات الحية الدقيقة المقاومة للأدوية من خلال التعدين المنهجي للبيانات.
يُظهر هذا الأهمية البالغة لأبحاث وترجمة ببتيدات السموم المضادة للميكروبات، والتي تشمل العلوم الأساسية والتطبيقات الصناعية. ومع تزايد دقة تحليل نماذج التعلم العميق لعلاقات التسلسل والوظيفة، وتقنيات البيولوجيا التركيبية التي تُحسّن باستمرار استقرار الببتيدات وكفاءة التعبير الجيني، فإن هذه الجزيئات، المستوحاة من "حكمة البقاء" الطبيعية، مهيأة لأن تُصبح قوةً رئيسيةً في مكافحة مقاومة المضادات الحيوية، وأن تُوفر ضماناتٍ جديدةً للصحة العامة العالمية.
المقالات المرجعية:
1. https://mp.weixin.qq.com/s/lwYWWIe9-Az22jlhiZ747A
2. https://mp.weixin.qq.com/s/sGHRf-ebaSRiqGiUxMMueA
3. https://mp.weixin.qq.com/s/0mJltGuaKTUwYDGK4wD9UA
4. https://mp.weixin.qq.com/s/R6Y_-38saZwqSSow0LNhzw