Deep-learning-enabled antibiotic discovery through molecular de-extinction

生物 消光(光学矿物学) 抗生素 重症监护医学 药物发现 医学 计算机科学 微生物学 生物信息学 古生物学
作者
Fang Wan,Marcelo D. T. Torres,Jacqueline Peng,César de la Fuente‐Núñez
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Nature Portfolio]
卷期号:8 (7): 854-871 被引量:152
标识
DOI:10.1038/s41551-024-01201-x
摘要

Molecular de-extinction aims at resurrecting molecules to solve antibiotic resistance and other present-day biological and biomedical problems. Here we show that deep learning can be used to mine the proteomes of all available extinct organisms for the discovery of antibiotic peptides. We trained ensembles of deep-learning models consisting of a peptide-sequence encoder coupled with neural networks for the prediction of antimicrobial activity and used it to mine 10,311,899 peptides. The models predicted 37,176 sequences with broad-spectrum antimicrobial activity, 11,035 of which were not found in extant organisms. We synthesized 69 peptides and experimentally confirmed their activity against bacterial pathogens. Most peptides killed bacteria by depolarizing their cytoplasmic membrane, contrary to known antimicrobial peptides, which tend to target the outer membrane. Notably, lead compounds (including mammuthusin-2 from the woolly mammoth, elephasin-2 from the straight-tusked elephant, hydrodamin-1 from the ancient sea cow, mylodonin-2 from the giant sloth and megalocerin-1 from the extinct giant elk) showed anti-infective activity in mice with skin abscess or thigh infections. Molecular de-extinction aided by deep learning may accelerate the discovery of therapeutic molecules.
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