A Deep Learning Approach to Antibiotic Discovery

生物 抗生素 药物发现 计算生物学 微生物学 生物信息学
作者
Jonathan Stokes,Kevin Yang,Kyle Swanson,Wengong Jin,Andrés Cubillos-Ruiz,Nina M. Donghia,Craig R. MacNair,Shawn French,Lindsey A. Carfrae,Zohar Bloom‐Ackermann,Victoria M. Tran,Anush Chiappino-Pepe,Ahmed H. Badran,Ian W. Andrews,Emma J. Chory,George M. Church,Eric D. Brown,Tommi Jaakkola,Regina Barzilay,James J. Collins
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:180 (4): 688-702.e13 被引量:1566
标识
DOI:10.1016/j.cell.2020.01.021
摘要

Due to the rapid emergence of antibiotic-resistant bacteria, there is a growing need to discover new antibiotics. To address this challenge, we trained a deep neural network capable of predicting molecules with antibacterial activity. We performed predictions on multiple chemical libraries and discovered a molecule from the Drug Repurposing Hub—halicin—that is structurally divergent from conventional antibiotics and displays bactericidal activity against a wide phylogenetic spectrum of pathogens including Mycobacterium tuberculosis and carbapenem-resistant Enterobacteriaceae. Halicin also effectively treated Clostridioides difficile and pan-resistant Acinetobacter baumannii infections in murine models. Additionally, from a discrete set of 23 empirically tested predictions from >107 million molecules curated from the ZINC15 database, our model identified eight antibacterial compounds that are structurally distant from known antibiotics. This work highlights the utility of deep learning approaches to expand our antibiotic arsenal through the discovery of structurally distinct antibacterial molecules.
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