"Hóa học bảo tồn": Khi AI và công nghệ giúp thiết kế thuốc cho thiên nhiên

Năm 2018, sau gần hai thập kỷ gắn bó với Big Pharma (các công ty dược phẩm lớn), nhà hóa học Tim Cernak đã sẵn sàng để đặt kỹ năng của mình vào một mục đích mới mẻ. Tại Merck, ông đã phát triển các liệu pháp chính xác cho ung thư, HIV và tiểu đường, có thể nhắm vào bệnh lý đồng thời giảm thiểu tác hại lên các tế bào khỏe mạnh. Tuy nhiên, với tư cách là một người yêu thiên nhiên cả đời, ông ngày càng lo lắng về sức khỏe của các hệ sinh thái và tự hỏi liệu chuyên môn của mình có thể chuyển đổi sang lĩnh vực này hay không.

Cernak nhận thấy rằng động vật thường được điều trị bằng các loại dược phẩm được công thức cho con người, và chúng ảnh hưởng đến động vật giống như các loại thuốc ung thư cũ: Dù có mục đích tiêu diệt tế bào bất thường, chúng gây ra sự tàn phá không phân biệt đối xử. Ví dụ, tiêu chuẩn điều trị cho những con ếch bị nhiễm bệnh da chết người là itraconazole, một loại thuốc chống nấm thường gây tử vong cho loài lưỡng cư này. Cernak hình dung về một thế giới nơi "bệnh nhân vốn dĩ luôn là một con ếch, từ đầu đến cuối". Hiện là phó giáo sư tại Đại học Michigan, ông đã làm việc với mọi loại sinh vật, từ thằn lằn Gila bị ký sinh trùng đến đại bàng hói mắc cúm gia cầm.

Kinh nghiệm với phần mềm mô hình hóa protein

Việc phát triển bất kỳ loại thuốc nào cũng cực kỳ tốn kém, dễ thất bại và diễn ra chậm chạp. Tuy nhiên, AI có thể tăng tốc toàn bộ quy trình thiết kế thuốc, ông Cernak cho biết. Mô hình AlphaFold của Google DeepMind cho phép ông trực quan hóa cấu trúc ba chiều của một protein đột biến trên màn hình — thay vì nuôi cấy nó trong đĩa petri theo phương pháp truyền thống — và sau đó nhanh chóng tạo ra các loại thuốc tiềm năng có thể bám vào cấu trúc đó.

Bước tiếp theo là chạy một loạt phản ứng để xem loại thuốc tiềm năng nào có thể hiệu quả; với sự trợ giúp của robot trong phòng thí nghiệm, ông có thể xử lý nhanh chóng tới 1.500 phản ứng mỗi ngày.

Sự tò mò về mọi sinh vật

Cernak không kén chọn bệnh nhân của mình. Ví dụ, ông đã làm việc một phương pháp điều trị cho rùa biển loggerhead sau khi ông sốc khi biết rằng loài biểu tượng này lại mắc phải các khối u truyền nhiễm. Ông cảm thấy đặc biệt bị thu hút bởi những sinh vật đã giúp đỡ con người, như thằn lằn Gila, hormone của loài này đã góp phần tạo ra các loại thuốc giảm cân phổ biến như Ozempic. Và không chỉ là động vật; ông cũng đang phát triển một loại thuốc trừ sâu chính xác để điều trị cây tùng núi (hemlock) đang bị tấn công bởi các loài xâm lấn.

Tinh thần tiên phong

Cernak gọi ngành học mới này là "hóa học bảo tồn". Đây là sự kết hợp của những từ ngữ mang một lịch sử nặng nề, từ việc DDT tàn phá quần thể đại bàng hói ở Mỹ vào những năm 1960, đến các loại thuốc giảm đau cho bò giết chết hàng triệu con kền kền ở Ấn Độ vào những năm 90. Ông nhận thức được những rủi ro, nhưng Cernak cảm thấy việc loại bỏ các nhà hóa học khỏi nỗ lực bảo tồn là một cơ hội bị bỏ lỡ.

"Tôi thực sự mệt mỏi khi nhìn vào các công cụ hóa học được sử dụng trong lĩnh vực bảo tồn, và chúng không phải là công nghệ tiên tiến," ông nói. "Nó giống như, làm thế nào bạn có thể có một động cơ siêu công nghệ cao ở đây để làm thuốc cho con người, trong khi chúng ta đang sống qua một sự tuyệt chủng hàng loạt?"