Obtenen amb IA el mapa més complet de les interaccions clau per a la supervivència dels bacteris
Investigadors de la UAB han elaborat el mapa més complet fins ara de l’interactoma essencial dels bacteris, és a dir, de com es combinen i interactuen les proteïnes per dur a terme funcions essencials per a la seva supervivència. La recerca, publicada a la revista eLife, ha emprat l’eina d’intel·ligència artificial AlphaFold per predir i modelar més de 1.400 interaccions. Els resultats han revelat detalls fins ara desconeguts d’aquests mecanismes i ofereixen possibles dianes per al desenvolupament de nous antibiòtics.
Els bacteris duen a terme moltes funcions que són clau per a la seva supervivència, com la producció de l’energia que necessiten, la replicació del DNA i la divisió cel·lular per reproduir-se, o la síntesi de la membrana cel·lular per protegir-se i interactuar amb l’entorn, entre d’altres. En tots aquests processos intervenen complexos que requereixen una acció coordinada d’un conjunt de proteïnes que són essencials: sense aquestes els processos no es desenvolupen i el bacteri mor. Per això, conèixer en detall com es regulen aquests processos bàsics, quines proteïnes hi intervenen i com interactuen és fonamental per comprendre els mecanismes de creixement, de reproducció i de supervivència dels bacteris.
Les tècniques experimentals emprades fins ara han permès identificar milions d’interaccions entre proteïnes i milers d’estructures d’aquestes proteïnes, però són dades en brut que donen un nombre molt gran de falsos positius, d’interaccions que, en realitat, no tenen cap valor. Amb els models d’intel·ligència artificial desenvolupats recentment, com AlphaFold2, s’ha pogut obtenir estructures de proteïnes amb una precisió similar als mètodes experimentals, i diferenciar entre interaccions genuïnes entre proteïnes i interaccions falses (falsos positius).
Investigadors del Departament de Bioquímica i de Biologia Molecular de la Universitat Autònoma de Barcelona han emprat el model d’intel·ligència artificial AlphaFold2 per predir el conjunt d’interaccions entre proteïnes que són essencials per a la supervivència dels bacteris, un total de 1.402 possibles interaccions que conformen el mapa més complet del que s’anomena interactoma essencial dels bacteris. Totes aquestes interaccions amplien els coneixements sobre els mecanismes d’acció que necessiten els bacteris per sobreviure i permeten identificar quines interaccions entre proteïnes poden ser dianes per al desenvolupament de nous antibiòtics.
“Hem aconseguit un mapa de l’interactoma essencial dels bacteris on es recullen totes les interaccions que són fonamentals perquè els bacteris puguin viure i multiplicar-se. Aquestes interaccions les hem caracteritzat estructuralment a través de noves eines d’intel·ligència artificial, concretament AlphaFold”, explica el professor de la UAB Marc Torrent, director de la recerca. “Creiem que aquestes estructures són un referent per al desenvolupament de nous antibiòtics, ja que les molècules que puguin inhibir aquestes interaccions es comportarien com a antibiòtics amb mecanismes d’acció insòlits”.
En l’activitat dels bacteris hi intervenen entre 4.000 i 5.000 proteïnes. Aquest conjunt és el que s’anomena proteoma dels bacteris, i dona lloc a un interactoma que podria arribar a comptar amb 20 milions d’interaccions possibles. Però s’estima que les interaccions que tenen lloc a una espècie, per exemple, al bacteri Escherichia coli, es limiten a unes 12.000. I no totes aquestes interaccions són essencials per a la supervivència del bacteri.
Per destriar les interaccions essencials els investigadors han considerat només les interaccions on les dues proteïnes que interaccionen per formar el complex són presents a, almenys, dues espècies de bacteris diferents. Amb aquests filtre i l’ajut del model d’intel·ligència artificial AlphaFold2, els investigadors han obtingut un conjunt de 1.402 interaccions essencials entre proteïnes.
Poder de predicció excel·lent de la intel·ligència artificial
Per posar a prova la fiabilitat d’AlphaFold2 l’equip de recerca ha comparat les seves prediccions amb 140 interaccions entre proteïnes que s’havien obtingut experimentalment amb anterioritat. El resultat va ser un poder de predicció que els autors qualifiquen d’excel·lent, ja que 113 d’aquestes interaccions experimentals (el 81 %) van ser predites per la IA amb molta precisió. Els investigadors consideren que molts dels complexos d’interacció entre proteïnes que es poden trobar a les bases de dades experimentals podrien tractar-se de falsos positius.
Nous complexos de proteïnes essencials desconeguts fins ara
Els investigadors destaquen la descoberta, mitjançant aquest mètode, d’un conjunt d’interaccions entre proteïnes que eren desconegudes fins ara i que actuen en 9 processos essencials diferents: la biosíntesi d’àcids grassos a la membrana cel·lular, la síntesi de lipopolisacàrids a la membrana externa, el transport de lípids, el transport de proteïnes i de lipoproteïnes de la membrana externa, la divisió cel·lular, el manteniment de la forma allargada en els bacils, la replicació del DNA per a la reproducció del bacteri i la síntesi de la ubiquinona.
La comprensió detallada de l’estructura dels nous complexos de proteïnes descoberts aporten nous coneixements sobre els mecanismes moleculars que tenen lloc en aquests processos vitals per a les bactèries i obren el camí per a l’obtenció de nous antibiòtics.
La recerca, publicada recentment a la revista eLife, ha estat duta a terme pels investigadors del Departament de Bioquímica i de Biologia Molecular de la Universitat Autònoma de Barcelona Marc Torrent Burgas i Jordi Gómez Borrego.
Article de recerca:
Gómez Borrego and Torrent Burgas. Structural assembly of the bacterial essential interactome. eLife 2024;13:e94919. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.94919