A general model to predict small molecule substrates of enzymes based on machine and deep learning

生物信息学 计算机科学 训练集 机器学习 人工智能 变压器 实验数据 深度学习 计算生物学 化学 生物化学 生物 数学 统计 电压 基因 物理 量子力学
作者
Alexander Kroll,Sahasra Ranjan,Martin K. M. Engqvist,Martin J. Lercher
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:72
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38347-2
摘要

Abstract For most proteins annotated as enzymes, it is unknown which primary and/or secondary reactions they catalyze. Experimental characterizations of potential substrates are time-consuming and costly. Machine learning predictions could provide an efficient alternative, but are hampered by a lack of information regarding enzyme non-substrates, as available training data comprises mainly positive examples. Here, we present ESP, a general machine-learning model for the prediction of enzyme-substrate pairs with an accuracy of over 91% on independent and diverse test data. ESP can be applied successfully across widely different enzymes and a broad range of metabolites included in the training data, outperforming models designed for individual, well-studied enzyme families. ESP represents enzymes through a modified transformer model, and is trained on data augmented with randomly sampled small molecules assigned as non-substrates. By facilitating easy in silico testing of potential substrates, the ESP web server may support both basic and applied science.
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