抗ウイルス薬を発見するための、分離可能な時間畳み込みネットワークに基づく深層学習技術

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13722 (2023) この記事を引用

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新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックによって引き起こされた驚くべき数の死亡者数により、科学界は治療薬の発見プロセスを加速する必要に迫られている。 この点において、生物医学科学者と人工知能 (AI) の専門家の協力により、治療用分子の初期スクリーニング用に多数のインシリコ ツールが開発されました。 すべての生物は、侵入するウイルスに対する防御の第一線の一環として、抗ウイルスペプチド (AVP) を生成します。 この論文で提案されている Deep-AVPiden モデルと、https://deep-avpiden.anvil.app で展開されているそれに対応する Web アプリは、生物のプロテオームにおける新規 AVP の発見に向けた取り組みです。 Deep-AVPiden とは別に、Deep-AVPiden (DS) と呼ばれる計算効率の高いモデルも、同じ基盤ネットワークを使用して開発されましたが、点ごとに分離可能な畳み込みが使用されます。 Deep-AVPiden モデルと Deep-AVPiden (DS) モデルは、それぞれ 90% と 88% の精度を示し、どちらも 90% の精度を持っています。 また、提案されたモデルは、Student の t 検定を使用して統計的に比較されました。 提案されたモデルと最先端の分類器を比較すると、それらのモデルの方がはるかに優れていることがわかりました。 提案されたモデルをテストするために、植物、哺乳類、魚類の自然防御タンパク質に含まれるいくつかの AVP を同定し、それらが実験的に検証されたいくつかの抗菌ペプチドとかなりの配列類似性を持っていることを発見しました。 これらの AVP は化学的に合成でき、抗ウイルス活性をテストできます。

従来の抗生物質は無能で非効率であるため、生命を脅かす病原体を殺すか阻害する新しい抗菌薬の発見が大きな注目を集めています。 しかし、新しい種類の治療薬が高い有効性、広範囲の活性を持ち、人間の健康に対する副作用がほとんどまたはまったくないことが重要です。 この方向では、生物の自然な第一線の防御の不可欠な部分を形成する抗菌ペプチド (AMP) を使用して医薬品を開発できます。 現在、機械/深層学習を使用した AMP の分析とモデリングが勢いを増しています 1、2、3、4、5、6、7。 リカレント ニューラル ネットワーク (RNN)、長短期記憶 (LSTM) ネットワーク、時間畳み込みネットワーク (TCN)8、9 などの深層学習ベースのシーケンス モデリング技術を効果的に使用して、分類および分類するための堅牢なモデルを開発できます。さまざまな生命体のプロテオームから、AMP、抗がんペプチド 10、11 などの新規治療用ペプチドを発見します。 シーケンス モデリングは、テキスト、オーディオ、ビデオなどの形式の連続データを入出力する技術であることに注意してください。この目的のために、RNN は、特定のユニット間の依存関係を捕捉するための深層学習アーキテクチャとして開発されました。予測を行うシーケンス。 ただし、勾配消失の問題により、これらのユニット間の長距離依存関係を捕捉できません。 LSTM は、長距離にわたるユニット間の相関関係を記憶するゲート機構 (入力、出力、および忘却ゲート) を使用することでこの問題を克服するという点で、RNN の改良点として提案されました。 ただし、LSTM は部分的な結果を保存するために RNN よりも多くのメモリを必要とします。 さらに、RNN および LSTM ベースのモデルは逐次的に動作するため、特定のシーケンスの単位 (タイムステップとも呼ばれます) を並行して処理することはできません。 ただし、そのような欠点は TCN には存在しません。 この深層学習アーキテクチャによって実行される計算は、マルチコア処理システム上で簡単に分散および並列化でき、メモリもあまり消費しません。

これらの深層学習アルゴリズムを使用して、抗ウイルスペプチド (AVP) を分類するためにいくつかのモデルが構築されています。 AVP は、侵入ウイルスに対して宿主または宿主細胞を標的にしてウイルスの複製を阻害する AMP のサブクラスであることに注意してください。 一部の AVP は、宿主細胞の外側でウイルスタンパク質を阻害するか、宿主の細胞膜上のリンクサイトと競合するため、殺ウイルス性を示します 12。 対照的に、ウイルス遺伝子の発現や複製など、ウイルスのライフサイクルのさまざまな段階に干渉するものもあります。興味深いことに、哺乳類、植物、魚類、その他の生物のプロテオームには多数の AVP が存在します。 植物に見られるシクロタイドと呼ばれる AVP ファミリーは、ヒト免疫不全ウイルス (HIV)13、H1N114、デング熱 15 などのさまざまなヒトウイルスが宿主の細胞膜に結合するのを防ぎます。 蛾由来のセクロピン A は、HIV の遺伝子発現を抑制することで HIV に対して作用します。 同様に、Phyllomedusa 属のカエルに見られるデルマセプチンとして知られる抗菌ペプチド (AMP) ファミリーは、HIV-116 に対して殺ウイルス能力を示しています。 海洋生物由来の AVP について言えば、クラバニンとして知られるペプチドの一種は、単純ヘルペス ウイルス (HSV)、ロタウイルス、およびアデノウイルスの毒性を阻害します 17。