Graph Attention Network Model with Defined Applicability Domains for Screening PBT Chemicals

可解释性 适用范围 生物信息学 计算机科学 生化工程 数量结构-活动关系 图形 人工智能 计算生物学 生物系统 机器学习 化学 生物 工程类 生物化学 理论计算机科学 基因
作者
Haobo Wang,Zhongyu Wang,Jingwen Chen,Wenjia Liu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (10): 6774-6785 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c00765
摘要

In silico models for screening environmentally persistent, bio-accumulative, and toxic (PBT) substances are necessary for sound management of chemicals. Due to the complex structure-activity landscapes (SALs) on the PBT attributes, previous models for screening PBT chemicals lack either applicability domain (AD) characterizations or interpretability, restricting their applications. Herein, graph attention networks (GATs), a novel neural network architecture, were introduced to construct models for screening PBT chemicals. Results show that the GAT model not only outperformed those in previous studies but also exhibited interpretability since it optimizes attention weight parameters (PAW) that indicate contributions of each atom to the PBT attributes. An AD characterization termed ADFP-AC, which considers both molecular fingerprint (FP) similarities and compounds at activity cliffs (ACs) of SALs, was proposed to describe the ADs, which further assured the performance of the GAT model. Eight previously unidentified classes of compounds were identified as PBT chemicals from the Inventory of Existing Chemical Substances in China. The GAT model together with the ADFP-AC characterization may serve as efficient tools for screening PBT chemicals, and the modeling methodology can be applied to other physicochemical, environmental, behavioral, and toxicological parameters of chemicals that are necessary for their risk assessment and management.
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