Designing antimicrobial peptides using deep learning and molecular dynamic simulations

抗菌肽 嗜麦芽窄食单胞菌 深度学习 计算生物学 计算机科学 结构母题 人工智能 生物 细菌 生物化学 铜绿假单胞菌 遗传学
作者
Qiushi Cao,Cheng Ge,Xuejie Wang,Peta J. Harvey,Zixuan Zhang,Yuan Ma,Xianghong Wang,Xinying Jia,Mehdi Mobli,David J. Craik,Tao Jiang,Jinbo Yang,Zhiqiang Wei,Yan Wang,Shan Chang,Rilei Yu
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (2) 被引量:81
标识
DOI:10.1093/bib/bbad058
摘要

Abstract With the emergence of multidrug-resistant bacteria, antimicrobial peptides (AMPs) offer promising options for replacing traditional antibiotics to treat bacterial infections, but discovering and designing AMPs using traditional methods is a time-consuming and costly process. Deep learning has been applied to the de novo design of AMPs and address AMP classification with high efficiency. In this study, several natural language processing models were combined to design and identify AMPs, i.e. sequence generative adversarial nets, bidirectional encoder representations from transformers and multilayer perceptron. Then, six candidate AMPs were screened by AlphaFold2 structure prediction and molecular dynamic simulations. These peptides show low homology with known AMPs and belong to a novel class of AMPs. After initial bioactivity testing, one of the peptides, A-222, showed inhibition against gram-positive and gram-negative bacteria. The structural analysis of this novel peptide A-222 obtained by nuclear magnetic resonance confirmed the presence of an alpha-helix, which was consistent with the results predicted by AlphaFold2. We then performed a structure–activity relationship study to design a new series of peptide analogs and found that the activities of these analogs could be increased by 4–8-fold against Stenotrophomonas maltophilia WH 006 and Pseudomonas aeruginosa PAO1. Overall, deep learning shows great potential in accelerating the discovery of novel AMPs and holds promise as an important tool for developing novel AMPs.
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