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Toward Automatic Derivation of Geometry‐Based Descriptors as Surrogates for Complex Computational Approaches in Enzyme–Substrate Prediction

计算机科学 生物催化 基质(水族馆) 人工智能 生物系统 训练集 精确性和召回率 底物特异性 灵敏度(控制系统) 机器学习 算法 稳健性(进化) 化学 酶催化 酶抑制 模式识别(心理学) 实验数据 复杂系统 蛋白质工程
作者
Carlos Sequeiros‐Borja,Petr Škoda,Jan Brezovský
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:27 (6): e202500883-e202500883
标识
DOI:10.1002/cphc.202500883
摘要

Accurate prediction of enzyme-substrate (ES) interactions remains a fundamental challenge in biocatalysis and drug discovery. While machine learning (ML) approaches have shown promise, they require extensive training data and often lack mechanistic interpretability. Here, we present a novel methodology that automatically derives geometry-based descriptors from ES complex structures to predict substrate specificity. Our approach simplifies complex catalytic mechanisms into interpretable geometric filters comprising critical inter-atomic distances and accessibility of atomic pairs parameters. We validated this methodology using two mechanistically distinct enzyme families with minimal training data: haloalkane dehalogenases (HLDs; 9 enzymes and 53 substrates) and aldehyde reductases (AldRs; 9 enzymes and 36 substrates). The filters demonstrated robust performance across chemically diverse substrates. On testing datasets, the derived filters achieved average accuracy of 77% and sensitivity of 94% for HLDs and average 57% recall of true substrates for AldRs, exceeding state-of-the-art ML methods for substrate predictions on these datasets. Crucially, the geometric descriptors directly correspond to catalytic requirements, providing mechanistic insights into substrate recognition. This interpretable, mechanism-based approach requires minimal training data and can be readily applied to newly characterized enzymes, offering a powerful tool for enzyme engineering and substrate screening applications.
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