Các khoa học gia và kỹ thuật viên giám sát máy móc trong phòng thí nghiệm tự động hóa cao của Terray Therapeutics. Ảnh: NYT

Tìm thấy kháng sinh mới sau nhiều thập kỷ

50 năm sau HAL được gán cho một dạng sát thủ khác, không phải trên người mà trên vi khuẩn, mang lại hy vọng mới cho nhân loại trong cuộc chiến chống lại vi khuẩn kháng thuốc.

Vào cuối những năm 2010, dưới sự dẫn dắt của giáo sư James J. Collins, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Hoa Kỳ đã khai thác sức mạnh AI để phát hiện ra halicin (đặt tên theo HAL 9000), hoạt chất có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn nguy hiểm, trong đó có những vi khuẩn kháng thuốc hung hãn.

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Cell tháng 2/2020, các nhà khoa học cho biết thay vì sử dụng những phương pháp sàng lọc truyền thống tốn kém và mất thời gian, họ đã huấn luyện mô hình học sâu (deep learning) với nguồn dữ liệu là 2.500 phân tử thuốc (1.700 phân tử là thuốc được FDA - Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ - phê duyệt và 800 sản phẩm tự nhiên khác).

Thí nghiệm trong phòng lab cho thấy halicin có thể tiêu diệt E. coli và Acinetobacter baumannii, những vi khuẩn hàng đầu gây nhiễm trùng bệnh viện và tạo ra siêu kháng thuốc. Đáng chú ý, cấu trúc của halicin hoàn toàn khác với các kháng sinh hiện có. Đó là lý do halicin trở thành kháng sinh được khám phá sau nhiều thập kỉ không có kháng sinh mới nào ra đời.

Không dừng lại ở đó, cuối năm 2023 với mô hình AI cải tiến, nhóm giáo sư Collins và cộng sự tiếp tục công bố trên tạp chí Nature một hoạt chất mới có khả năng tiêu diệt tụ cầu vàng kháng methicillin (MRSA), loại vi khuẩn gram dương nằm trong danh sách các nhiễm trùng nguy hiểm nhất của Tổ chức Y tế thế giới (WHO).

Theo WHO, tình trạng kháng kháng sinh đang ở mức báo động, cướp đi sinh mạng của khoảng 700.000 người/năm và dự báo con số này sẽ tăng lên 10 triệu người vào năm 2050 nếu không có giải pháp hiệu quả.

Trước khi sử dụng AI, thách thức chính cho con người trong khám phá và nhận diện một loại thuốc tiềm năng là thời gian, hiệu quả và chi phí. Từ đầu những năm 1990 đến cuối những năm 2000, để phát triển được một loại = thuốc con người phải mất ít nhất 12 năm. Còn đối với halicin, nhóm MIT dùng AI có thể thử nghiệm hơn 100 triệu phức hợp hóa học chỉ trong… vài ngày!

Thành công của halicin và các hoạt chất tiềm năng khác cho thấy AI có thể cách mạng hóa ngành dược phẩm, mở ra hy vọng mới cho cuộc chiến chống lại kháng kháng sinh toàn cầu.

Khi robot làm thí nghiệm và AI giành giải Nobel

Kathleen Elison, nhà đồng sáng lập và nhà khoa học cấp cao tại Terray Therapeutics. Ảnh: NYT

Ngày nay AI cách mạng hóa lĩnh vực phát triển dược phẩm dưới nhiều hình thức khác nhau. Terray Therapeutics, công ty dược phẩm công nghệ cao tại California là thí dụ khi họ kết hợp giữa việc tự động hóa bằng robot và AI tạo sinh (generative AI) để phát triển thuốc từ các phân tử nhỏ.

Không còn hình ảnh những nhà khoa học miệt mài với ống nghiệm và kính hiển vi như thường lệ, giờ đây phòng lab của Terray không khác gì một bản hợp xướng của tự động hóa thu nhỏ với dàn robot hoạt động nhịp nhàng và những ống chất lỏng siêu nhỏ được di chuyển đến các trạm xử lý tự động.

Tại đây, các nhà khoa học mặc áo blouse xanh, mang găng tay và kính bảo hộ chỉ đứng quan sát. Tuy nhiên, phía sau cảnh tượng này các phản ứng thực sự lại diễn ra ở cấp độ nano, nơi protein và các phân tử hóa học tương tác trong những chiếc giếng nhỏ xíu trên chip silicon.

Những hoạt động này xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ lên đến 50 terabyte mỗi ngày, tương đương hơn 12.000 bộ phim. Đây chính là “thức ăn” cho AI, giúp nó học hỏi và dự đoán các ứng viên thuốc tiềm năng.

Trong khi Terray xây dựng những phòng thí nghiệm khổng lồ với chiến lược dữ liệu lớn thì công ty khởi nghiệp Isomorphic Labs có trụ sở tại London (Anh) hướng đến một ý tưởng khác. Tách ra từ Google DeepMind, Isomorphic Labs cho rằng mô hình AI càng tốt thì càng cần ít dùng dữ liệu.Và họ đang đặt cược vào sức mạnh phần mềm tính toán của mình.

Năm 2018 Google DeepMind ra mắt AlphaFold, một chương trình dự đoán cấu trúc và tương tác của protein.  Nó được sử dụng trong khoa học y sinh, đặc biệt là để thiết kế thuốc. AlphaFold 2 ra đời năm 2020, là một phiên bản cải tiến có tính chính xác vượt trội. Xuất hiện vào thời khắc lịch sử, AlphaFold 2 đóng góp vào xác định cấu trúc protein của virus SARCOV-2, giúp các nhà khoa học rút ngắn thời gian phát triển vắc xin trong cuộc chiến chống đại dịch COVID-19.

Đến tháng 5/2024, Google DeepMind và Isomorphic cải tiến cho ra phiên bản AlphaFold 3 giúp dự đoán các tương  tác giữa protein và phân tử, nghĩa làmột bước tiến xa hơn trong việc thiết kế thuốc.

Những đột phá này giúp đưa AI lên ngôi khi giải Nobel hóa học năm 2024 trao cho Demis Hassabis và John Jumper (Google DeepMind) và David Baker (đại học Washington) vì đột phá trong dự đoán và thiết kế cấu trúc protein, qua đó cho thấy tầm vóc ảnh hưởng của AlphaFold.

Demis Hassabis, chủ nhân giải Nobel hóa học và đồng giám đốc điều hành của Google DeepMind, chia sẻ: “Hy vọng một ngày nào đó trong tương lai gần con người sẽ rút ngắn thời gian thiết kế một loại thuốc từ nhiều năm, thậm chí nhiều thập kỷ, xuống còn vài tháng hoặc thậm chí vài tuần”.

Đại gia dược phẩm cũng đặt cược vào AI

Với sự trợ giúp của AI, dược phẩm sẽ được nghiên cứu nhanh hơn và ít tốn kém hơn

PAXLOVID là thuốc điều trị COVID-19 dạng uống đầu tiên, được phê duyệt năm 2022, ra đời nhờ ứng dụng AI kết hợp với siêu máy tính. Từ năm 2020, hãng dược phẩm Pfizer đã sử dụng AI và học máy trong thiết kế thuốc, giúp giảm thời gian tính toán xuống 80-90%. Nhờ đó, PAXLOVID được thiết kế chỉ trong vòng 4 tháng, một kỳ tích chưa từng có trong lịch sử phát triển thuốc.

Lidia Fonseca, Giám đốc Công nghệ và Kỹ thuật số của Pfizer cho biết: “Thay vì tiến hành các thí nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm vật lý, chúng tôi sử dụng siêu máy tính dựa trên đám mây với các mô hình học máy AI để thử nghiệm một phần rất nhỏ trong hàng triệu hợp chất có thể hoạt động như một loại thuốc mới. Sau đó, các nhà nghiên cứu tập trung vào các hợp chất có khả năng cao nhất trở thành thuốc để rút ngắn thời gian đưa các liệu pháp đột phá đến với bệnh nhân”.

Trong khi đó, GSK, công ty dược phẩm của Anh, đã phát hiện Shingrix, một vắc-xin ngừa zona thần kinh có khả năng giảm 24% nguy cơ mắc Alzheimer. Thành công này được công bố tại hội nghị quốc tế của Hiệp hội Alzheimer ở Philadelphia vào tháng 7/2024. Đáng kinh ngạc khi kết quả này được AI thực hiện chỉ trong vài ngày sau khi phân tích hồ sơ bệnh án của 100 triệu người. Khám phá này mở ra hướng đi mới cho Shingrix với tiềm năng trong điều trị Alzheimer.

Vắc-xin đã có mặt tại Việt Nam từ tháng 5/2024 với chỉ định ngừa bệnh zona thần kinh. Không chỉ Pfizer vàGSK, Eli Lilly cũng đầu tư AI trong khám phá thuốc bằng cách giải phòng sức lao động con người. Từ năm 2022, công ty dược trị giá 420 tỷ USD của Mỹ này đã có 100 dự án do AI thực hiện khoảng 1,4 triệu giờ lao động của con người, tương đương 160 năm làm việc liên tục 24/7.

Năng suất này hứa hẹn tăng lên 2,4 triệu giờ lao động, tương đương 274 năm làm việc, trong năm tiếp theo. David Ricks, giám đốc điều hành Lilly, kỳ vọng: “AI sẽ thay đổi đáng kể năng suất của nơi làm việc, giải phóng con người để họ làm những việc thú vị và có giá trị hơn”.