加兰他敏是世界各地阿尔茨海默病和其他形式痴呆症患者用来治疗症状的常用药物。不幸的是，在实验室中按所需规模合成活性化合物在商业上不可行。活性成分是通过一个耗时的过程从水仙花中提取的，不可预测的因素(例如天气和农作物产量)可能会影响药物的供应和价格。

现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员已经开发出了包括人工智能系统和发光生物传感器在内的工具，有一天可以利用微生物来完成所有工作。

在《自然通讯》的一篇论文中，研究人员概述了利用转基因细菌制造加兰他敏化学前体的过程，作为微生物正常细胞代谢的副产品。从本质上讲，细菌被编程为将食物转化为药物化合物。

“我们的目标是最终大量发酵这样的药物，”分子生物科学教授、该研究的作者安德鲁·艾灵顿(Andrew Ellington)说。“这种方法创造了可靠的供应，生产成本要低得多。它没有生长季节，也不会受到干旱或洪水的影响。”

UT 机器学习基础研究所 (IFML) 深度蛋白质研究小组的博士后丹尼·迪亚兹 (Danny Diaz) 开发了一种名为 MutComputeX 的人工智能系统，该系统是这一过程的关键。它确定了如何突变细菌内部的蛋白质，以提高其效率和工作温度，从而最大限度地提高所需药物化学品的产量。

“这个系统有助于识别突变，使细菌更有效地产生目标分子，”迪亚兹说。“在某些情况下，它的效率高达水仙花中自然系统的三倍。”

利用微生物生产有用副产品的过程并不是什么新鲜事。酿酒商使用酵母来酿造酒精，细菌则帮助制造奶酪和酸奶。目前，微生物发酵用于制造用于糖尿病治疗的某些类型的胰岛素、激素以及用于多种药物(例如自身免疫治疗甚至疫苗)的重组蛋白。然而，在这个过程中应用人工智能相对较新，并且扩展了微生物发酵的可能性。

研究小组对大肠杆菌进行基因改造，生产 4'-O-甲基降颠茄定，这是加兰他敏的化学组成部分。这种复杂的分子属于从水仙花中提取的化合物家族，这些化合物具有治疗癌症、真菌感染和病毒感染等疾病的药用价值，但利用微生物发酵来制造该家族中的化学物质是新的。

科学家们还创建了一种荧光生物传感器，可以快速检测和分析哪些细菌正在产生所需的化学物质以及产生的量。当生物传感器(一种特殊制造的蛋白质)与研究人员想要制造的化学物质接触时，它会发出绿光。

“生物传感器使我们能够在几秒钟内测试和分析样本，而过去每个样本需要大约五分钟，”该论文的第一作者、前德克萨斯大学奥斯汀分校、现哈佛大学的博士后研究员西蒙·德奥尔斯尼茨(Simon d'Oelsnitz)说。“机器学习程序使我们能够轻松地将候选人范围从数万缩小到数十。总而言之，这些都是非常强大的工具。