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A White-Box Machine Learning Approach for Revealing Antibiotic Mechanisms of Action

生物 抗生素 代谢网络 机器学习 计算生物学 代谢组学 药物发现 嘌呤 人工智能 生物信息学 遗传学 计算机科学 生物化学
作者
Jason H. Yang,Sarah N. Wright,Meagan Hamblin,Douglas McCloskey,Miguel A. Alcantar,Lars Schrübbers,Allison J. Lopatkin,Sangeeta Satish,Amir Nili,Bernhard Ø. Palsson,Graham C. Walker,James J. Collins
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:177 (6): 1649-1661.e9 被引量:317
标识
DOI:10.1016/j.cell.2019.04.016
摘要

Current machine learning techniques enable robust association of biological signals with measured phenotypes, but these approaches are incapable of identifying causal relationships. Here, we develop an integrated "white-box" biochemical screening, network modeling, and machine learning approach for revealing causal mechanisms and apply this approach to understanding antibiotic efficacy. We counter-screen diverse metabolites against bactericidal antibiotics in Escherichia coli and simulate their corresponding metabolic states using a genome-scale metabolic network model. Regression of the measured screening data on model simulations reveals that purine biosynthesis participates in antibiotic lethality, which we validate experimentally. We show that antibiotic-induced adenine limitation increases ATP demand, which elevates central carbon metabolism activity and oxygen consumption, enhancing the killing effects of antibiotics. This work demonstrates how prospective network modeling can couple with machine learning to identify complex causal mechanisms underlying drug efficacy.
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