Pre-trained molecular representations enable antimicrobial discovery
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.11.584456v1
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本研究の背景について、詳しく説明してください。
本研究の背景は、抗生物質の効果を低下させる抗生物質耐性の増加が世界的な脅威となっていることです。抗生物質耐性は、細菌が抗生物質に対して耐性を獲得することによって生じます。この耐性は、遺伝子の変異や遺伝子の水平伝播によって広がります。抗生物質耐性が増加すると、感染症の治療が困難になり、重篤な合併症や死亡のリスクが高まります。したがって、新しい抗菌物質の発見が急務となっています。
しかし、新しい化学物質の抗菌活性を実験的な方法で決定することは、依然として時間と費用がかかる作業です。したがって、より効率的な方法が必要です。本研究では、事前学習された分子表現を使用して、抗菌物質の探索と優先順位付けのプロセスを高速化することを目指しています。
本研究の関連研究について、詳しく説明してください。
関連研究では、定量的な構造-活性関係（QSAR）モデリングと呼ばれる計算方法を使用して、分子の性質を推定および予測するための計算方法が開発されてきました。これらのモデリング手法は、分子の化学的特性（化学記述子）と、その特性と生物活性の関係を表すトレーニングデータを使用して、分子の活性を予測します。
最近のグラフニューラルネットワーク（GNN）の重要な進展により、計算分子特性予測の分野では大きな進歩が見られました。これらのグラフベースの手法は、予測モデルが大規模なトレーニングデータからタスク固有の潜在表現を推論することで、エンドツーエンドの教師あり学習フレームワークを採用しています。
本研究の目的について、詳しく説明してください。
本研究の目的は、MolEという軽量な計算戦略を紹介することで、抗菌物質の発見を促進することです。MolEは、非対照的な自己教師ありグラフニューラルネットワークフレームワークであり、未ラベルの化学構造を活用してタスクに依存しない分子表現を学習します。事前学習されたMolE表現と実験的に検証された化合物-細菌活性データを組み合わせることで、現在の抗生物質とは異なる構造を持つ最近報告された成長阻害化合物を再発見する抗菌予測モデルを構築します。このモデルを化合物の優先順位付け戦略として使用することで、Staphylococcus aureusの成長を阻害する3つの人間の標的薬剤を同定し、実験的に確認します。本研究で用いた材料やデータについて、詳しく説明してください。
本研究では、MolEと呼ばれる自己教師ありの事前学習戦略を使用して、抗菌物質の一般的な分子優先順位付けを行います。MolEは、PubChemからの約100,000の未ラベルのランダムな化学構造を使用して、一般的な目的の分子表現を学習します。また、人間の標的薬剤の成長阻害効果に関する公開された測定値を活用して、分子の優先順位付けのための抗菌ポテンシャルスコア（APS）のセットを導入します。本研究で何が明らかになったか、詳しく説明してください。
本研究では、MolE表現と人間の標的薬剤の成長阻害効果に関するデータリソースを組み合わせることで、現在の抗生物質とは異なる構造を持つ化合物の抗菌活性を正確に予測することができることが明らかになりました。さらに、一般的に使用される化学的表現では回収されなかった分子の活性を認識することもできました。さらに、このモデルを使用して、以前は抗菌活性が不明だった非抗生物質化合物を同定しました。モデルの出力を使用して、5つの化合物を実験的に検証し、3つの薬剤がヒト病原体Staphylococcus aureusの成長を阻害することを確認しました。本研究の有効性をどのように検証したか、詳しく説明してください。
本研究では、MolEが有益な化学的表現を生成できることを示しました。この表現は、広くアクセス可能な機械学習アルゴリズムを可能にし、抗菌物質の発見を加速することができます。具体的には、MolE表現と公開されている人間の標的薬剤の成長阻害効果の測定値を組み合わせることで、化学化合物がさまざまな細菌株の成長に与える影響を予測することができました。このモデルの出力を使用して、5つの化合物を実験的に検証し、3つの薬剤がヒト病原体Staphylococcus aureusの成長を阻害することを確認しました。これにより、MolEは新しい抗生物質の発見を加速する潜在能力を持っていることが示されました。