Accelerated antimicrobial discovery via deep generative models and molecular dynamics simulations

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作者
Payel Das,Tom Sercu,Kahini Wadhawan,Inkit Padhi,Sebastian Gehrmann,Flaviu Cipcigan,Vijil Chenthamarakshan,Hendrik Strobelt,Cicero dos Santos,Pin-Yu Chen,Yi Yan Yang,Jeremy P. K. Tan,James Hedrick,Jason Crain,Aleksandra Mojsilovic
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Nature Portfolio]
卷期号:5 (6): 613-623 被引量:376
标识
DOI:10.1038/s41551-021-00689-x
摘要

De novo therapeutic design is challenged by a vast chemical repertoire and multiple constraints such as high broad-spectrum potency and low toxicity. We propose CLaSS (Controlled Latent attribute Space Sampling) - a novel and efficient computational method for attribute-controlled generation of molecules, which leverages guidance from classifiers trained on an informative latent space of molecules modeled using a deep generative autoencoder. We further screen the generated molecules by using a set of deep learning classifiers in conjunction with novel physicochemical features derived from high-throughput molecular simulations. The proposed approach is employed for designing non-toxic antimicrobial peptides (AMPs) with strong broad-spectrum potency, which are emerging drug candidates for tackling antibiotic resistance. Synthesis and wet lab testing of only twenty designed sequences identified two novel and minimalist AMPs with high potency against diverse Gram-positive and Gram-negative pathogens, including the hard-to-treat multidrug-resistant K. pneumoniae, as well as low in vitro and in vivo toxicity. The proposed approach thus presents a viable path for faster discovery of potent and selective broad-spectrum antimicrobials with a higher success rate than state-of-the-art methods.
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