Predicting antibody binders and generating synthetic antibodies using deep learning

深度学习 计算机科学 人工智能 可解释性 计算生物学 卷积神经网络 深度测序 生物信息学 机器学习 生物 基因组 遗传学 基因
作者
Yoong Wearn Lim,Adam S. Adler,D. S. Johnson
出处
期刊:mAbs [Informa]
卷期号:14 (1) 被引量:13
标识
DOI:10.1080/19420862.2022.2069075
摘要

The antibody drug field has continually sought improvements to methods for candidate discovery and engineering. Historically, most such methods have been laboratory-based, but informatics methods have recently started to make an impact. Deep learning, a subfield of machine learning, is rapidly gaining prominence in the biomedical research. Recent advances in microfluidics technologies and next-generation sequencing have not only revolutionized therapeutic antibody discovery, but also contributed to a vast amount of antibody repertoire sequencing data, providing opportunities for deep learning-based applications. Previously, we used microfluidics, yeast display, and deep sequencing to generate a panel of binder and non-binder antibody sequences to the cancer immunotherapy targets PD-1 and CTLA-4. Here we encoded the antibody light and heavy chain complementarity-determining regions (CDR3s) into antibody images, then built and trained convolutional neural network models to classify binders and non-binders. To improve model interpretability, we performed in silico mutagenesis to identify CDR3 residues that were important for binder classification. We further built generative deep learning models using generative adversarial network models to produce synthetic antibodies against PD-1 and CTLA-4. Our models generated variable length CDR3 sequences that resemble real sequences. Overall, our study demonstrates that deep learning methods can be leveraged to mine and learn patterns in antibody sequences, offering insights into antibody engineering, optimization, and discovery.
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