▲ James Collins（左）和Regina Barzilay（右）框架
他們開發了一個跳出人類思惟框架的人工智能抗生素預測平臺，這個平臺不須要知道藥物的做用機制，甚至不須要科學家標註化學基團，它能一個原子一個原子地獨自學習，最終實現預測特定分子的功能，以一種科學家不瞭解的方式，幫助人類尋找全新抗生素。機器學習
這個新的智能平臺身手不凡，Collins和Barzilay團隊用它找到了多種與現有抗生素結構差別較大的抗菌化合物。其中有一個本來用來治療糖尿病的臨牀前藥物，展示出強大的抗菌效果，對多種超級耐藥菌展示出強大的殺傷力。學習
更厲害的是，這個抑菌小分子以一種科學家徹底沒有預料到的方式殺死細菌，並且研究人員認爲細菌很難對其產生耐藥性。測試
▲ 《細胞》封面阿里雲
自青黴素誕生以來，抗生素就成爲現代醫學的基石。隨着抗生素的普遍使用，超級細菌的耐藥性問題又成爲威脅人類健康的大敵。若是如今不遏制住耐藥性產生的勢頭，到2050年，預計有1000萬人會死於耐藥細菌的感染[2]。人工智能
遺憾的是，用傳統的篩選方式，已經愈來愈難篩選到新的抗生素了[3]。在現有抗生素的基礎上改造出新的抗生素，也是敗多勝少。spa
近年來，尋找新抗生素的科學家已經開始從大型合成化學文庫中篩選[4]。先不說這種方法的操做難度大、成本高，實際效果其實也很是有限，從1980年開始使用這種方法開始，一直到如今尚未應用於臨牀的抗菌藥物出現。code
機器學習技術和化學信息學的進步[5]，讓科學家們看到了另外一種可能：讓人工智能平臺自主學習化學分子的特徵，而後預測它的做用。htm
Collins和Barzilay團隊首先開發了一我的工智能平臺，這個平臺能夠本身學習化學分子的結構和特徵，而後根據它掌握的這些信息，預測分子的功能，即預測它是否能抑制特定細菌的生長。而後再把這些化學物質按照抑制效果的好壞排序。
隨後，研究人員給這個智能平臺餵了2335個不一樣的分子，其中有一大部分是已經得到FDA批准的藥物，剩下的是有普遍生物活性的自然分子。
在完成訓練以後，研究人員讓這我的工智能平臺從博德研究所化合物庫的6111個分子中，找出有抗菌活性的化合物。
▲ 篩選流程
最終，這個平臺找到了數十個有抗菌潛力的化合物。通過全面的分析排名以後，一個叫作SU332的化合物排在了第一名。SU332本來是c-Jun的N末端激酶抑制劑，它是一個處於臨牀前期的治療糖尿病的藥物。
從分子結構上看，它與已有的任何一種抗生素都明顯不一樣。爲了致敬經典科幻片《2001：太空漫遊》裏的人工智能系統HAL 9000，研究人員把SU332命名爲halicin。
進一步分析發現，halicin是殺死了細菌，而不是抑制細菌的生長和繁殖。傳統青黴素殺不死的處於代謝抑制狀態的大腸桿菌，halicin也能殺死。甚至是抗生素處理以後殘留的持久性細菌，halicin也能殺死。
研究人員還用攜帶多種耐藥基因的質粒轉化細菌，讓細菌具有特定的耐藥性，不過這些耐藥基因也不能幫助細菌抵擋halicin的屠刀。
隨後，研究人員用36種多耐藥細菌試刀，結果除了銅綠假單胞菌以外，沒有一個耐藥菌能逃過一劫。後續分析認爲，銅綠假單胞菌之因此能耐受halicin，多是由於「皮太厚」[6]，halicin進不去。
▲ 圖片來源：DAVID GOULDING/WELLCOME TRUST SANGER INSTITUTE/WELLCOME
那halicin到底是如何殺死細菌的呢？
研究人員的初步研究代表，這個halicin的殺菌機制還真不通常。它沒有破壞細菌的什麼結構，而是不知道經過什麼方式，破壞了細菌細胞膜維持電化學梯度的能力。這個細胞膜的電化學梯度有個重要的做用，就是與ATP的合成有關。
ATP咱們都知道，它就是能量啊。若是細菌不能在生產ATP了，那就是必死無疑了。研究人員認爲，細菌可能很難對halicin的這個殺菌技能產生耐藥性，由於細菌很難經過單個或者幾個突變，就改變本身維持電化學梯度的能力。
隨後的耐藥性研究，在必定程度上證明了研究人員的猜想。
他們在實驗室中讓細菌連續傳代30天，也不能得到對halicin耐藥的菌株。不知道你們還記不記得，哈佛大學和以色列理工學院的科學家2016年在《科學》上發表了一項研究成果：在實驗室條件下，大腸桿菌對達到最低致死濃度1000倍的抗生素產生耐藥性，僅僅須要10天時間[7]。
▲ 黑底的培養基從兩邊到中間分紅5個濃度梯度（0-1000倍），培養基上面是白色的細菌從兩邊往中間（抗生素濃度由低到高）飛速往中間生長
在後續的研究中，他們在小鼠身上測試了halicin的抗菌效果，確實很強大。目前研究團隊正在計劃與製藥公司或者公益組織展開合做，以期將halicin用於人體。
爲了證實這個系統的強大篩選能力，Collins和Barzilay團隊的研究人員隨後又把超1億個化學分子丟給這個系統，從中篩選到了8種有抗菌活性的化合物，其中兩種的抗菌活性還很是強大。整個篩選過程只用了3天時間。
真是不敢想象。
難怪色列理工學院生物學和計算機科學教授Roy Kishony會說[8]，「這項開創性的研究標誌着抗生素的發現，乃至更廣泛的藥物發現發生了範式轉變。」