Discovery of antimicrobial peptides in the global microbiome with machine learning

生物 抗菌肽 微生物群 计算生物学 基因组 抗生素 抗生素耐药性 基因组 抗菌剂 细菌素 药物发现 杠杆(统计) 基因 遗传学 微生物学 生物信息学 人工智能 计算机科学
作者
Célio Dias Santos Júnior,Marcelo D. T. Torres,Yiqian Duan,Álvaro Rodríguez del Río,Thomas Schmidt,Hui Chong,Anthony Fullam,Michael Kuhn,Chengkai Zhu,Amy Houseman,Jelena Somborski,Anna Vines,Xing‐Ming Zhao,Peer Bork,Jaime Huerta‐Cepas,César de la Fuente‐Núñez,Luís Pedro Coelho
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:187 (14): 3761-3778.e16 被引量:328
标识
DOI:10.1016/j.cell.2024.05.013
摘要

Novel antibiotics are urgently needed to combat the antibiotic-resistance crisis. We present a machine-learning-based approach to predict antimicrobial peptides (AMPs) within the global microbiome and leverage a vast dataset of 63,410 metagenomes and 87,920 prokaryotic genomes from environmental and host-associated habitats to create the AMPSphere, a comprehensive catalog comprising 863,498 non-redundant peptides, few of which match existing databases. AMPSphere provides insights into the evolutionary origins of peptides, including by duplication or gene truncation of longer sequences, and we observed that AMP production varies by habitat. To validate our predictions, we synthesized and tested 100 AMPs against clinically relevant drug-resistant pathogens and human gut commensals both in vitro and in vivo. A total of 79 peptides were active, with 63 targeting pathogens. These active AMPs exhibited antibacterial activity by disrupting bacterial membranes. In conclusion, our approach identified nearly one million prokaryotic AMP sequences, an open-access resource for antibiotic discovery.
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