Nature子刊：計劍/黃俊杰等開發(fā)小樣本深度學(xué)習(xí)模型，高效、精準(zhǔn)挖掘鮑曼不動桿菌抗菌肽

編輯丨王多魚

排版丨水成文

鮑曼不動桿菌是臨床感染致死率最高的菌種之一，并被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為亟待研究和開發(fā)新型抗菌藥物的優(yōu)先耐藥細(xì)菌第一位。多粘菌素是治療鮑曼不動桿菌感染的臨床藥物，但是使用該藥易引發(fā)腎毒性，并且已經(jīng)逐漸發(fā)展出細(xì)菌耐藥性。因此，針對鮑曼不動桿菌的新抗菌劑研發(fā)刻不容緩。

抗菌肽的殺菌機(jī)理是裂解細(xì)胞膜，不易誘導(dǎo)耐藥性，被認(rèn)為是下一代抗生素的理想備選藥物。但因鮑曼不動桿菌生存力頑強(qiáng)的特性，其靶向抗菌肽的研發(fā)難度大、進(jìn)展緩慢，目前僅報道百余條相關(guān)抗菌肽。

近年來，人工智能（AI）等方法在開發(fā)抗菌肽領(lǐng)域獲得巨大成功。2023 年浙江大學(xué)計劍、張鵬、趙俊博，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所黃俊杰等在Nature Biomedical Engineering期刊發(fā)表論文，開發(fā)了SMEP工作流，僅耗時 27 天即從超過 5000 億多肽文庫中挖掘抗菌肽，成功率高達(dá) 98.1%【1】。但是已報道抗鮑曼不動桿菌抗菌肽數(shù)據(jù)過少，直接使用如此少的數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，會造成嚴(yán)重的過擬合問題，致使任務(wù)失敗。

近日，浙江大學(xué)計劍、張鵬、趙俊博，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所黃俊杰原班人馬再度合作，在Nature Communications期刊發(fā)表了題為：Discovery of antimicrobial peptides targeting

Acinetobacter baumannii

研究團(tuán)隊針對鮑曼不動桿菌抗菌肽數(shù)據(jù)稀缺的問題，結(jié)合了預(yù)訓(xùn)練與多步微調(diào)技術(shù)，開發(fā)了小樣本深度學(xué)習(xí)工作流——FSLSMEP。該工作流集成了分類模型、排序模型以及回歸模型，從多肽理論庫中挖掘鮑曼不動桿菌抗菌肽。

圖1.FSLSMEP概覽

針對每個模型，研究團(tuán)隊選擇預(yù)訓(xùn)練模型ESM作為基模型，再使用相似數(shù)據(jù)——綠膿桿菌抗菌肽（1186條）做微調(diào)，最后使用鮑曼不動桿菌抗菌肽進(jìn)行二次微調(diào)，分別訓(xùn)練分類、排序、回歸模型。實驗結(jié)果顯示，相比于直接訓(xùn)練，采用預(yù)訓(xùn)練模型+多步微調(diào)訓(xùn)練，能夠大幅提升每個模塊模型的預(yù)測能力。

圖2. 分類、排序、回歸模塊中各模型指標(biāo)

模型訓(xùn)練完成后，研究團(tuán)隊將其串聯(lián)為“分類-排序-回歸”工作流，從多肽理論庫（20n）中挖掘強(qiáng)效鮑曼不動桿菌抗菌肽。使用該工作流，分別從六肽（0.64億）、七肽（12.8億）以及八肽（256億）全文庫中挖掘抗菌肽。濕實驗結(jié)果表明，91.1%（41/45）的多肽表現(xiàn)抗菌活性。其中，EME7(7) 表現(xiàn)出對抗鮑曼不動桿菌優(yōu)異的抗菌性能，MIC 達(dá) 8 μg/mL。并且，由工作流篩選的多肽與已報道的抗菌肽展現(xiàn)較低相似性，具有新穎性。除抗菌活性外， EME 抗菌肽還表現(xiàn)出較強(qiáng)的殺菌動力學(xué)，在 2 小時內(nèi)就可殺滅 ~109細(xì)菌；展現(xiàn)較低的溶血毒性以及細(xì)胞毒性，賦予抗菌肽優(yōu)異的治療窗口。

圖3. 從256億多肽文庫中挖掘抗鮑曼不動桿菌肽

在抗菌肽的殺菌機(jī)理探究中，掃描電鏡以及透射電鏡照片顯示，經(jīng)抗菌肽處理后，細(xì)菌出現(xiàn)細(xì)胞膜破損、內(nèi)容物滲出現(xiàn)象，在表型水平證明了抗菌肽的殺菌機(jī)理為裂解細(xì)菌細(xì)胞膜。RNA-seq 結(jié)果顯示，經(jīng)抗菌肽處理后，細(xì)菌的細(xì)胞膜修復(fù)以及氧化應(yīng)激相關(guān)途徑的基因上調(diào)，在分子水平證明抗菌肽的殺菌機(jī)理為裂解細(xì)菌細(xì)胞膜。這是一種不易產(chǎn)生耐藥的殺菌機(jī)制，而耐藥性實驗也證明，抗菌肽在 10 天細(xì)菌培養(yǎng)條件下，沒有產(chǎn)生耐藥性，RNA-seq結(jié)果也證明，抗菌肽處理后，細(xì)菌耐藥基因未出現(xiàn)上調(diào)。

圖4. EME抗菌肽生物活性評價

為驗證工作流的泛化性，研究團(tuán)隊針對全新菌種白色念珠菌進(jìn)行從頭開發(fā)。使用 657 個白色念珠菌抗菌肽陽性樣本微調(diào)模型（替換了 148 個鮑曼不動桿菌抗菌苔數(shù)據(jù)），分別重新訓(xùn)練分類-排序-回歸模型。再從包含 12.8 億樣本的七肽全文庫中挖掘 top-10 樣本。濕實驗結(jié)果證明，90%（9/10）多肽具有抗菌活性，最強(qiáng)抗菌肽的 MIC 達(dá) 16 μg/mL。該結(jié)果證明了FSLSMEP具有較強(qiáng)的泛化性，能有效幫助篩選其他數(shù)據(jù)匱乏的抗菌肽。

最后，研究團(tuán)隊使用小鼠肺炎動物模型證明 EME7(7) 抗菌肽的體內(nèi)治療效果，在與臨床藥物多粘菌素 B 的頭對頭比較中，EME7(7) 展現(xiàn)出相媲美的體內(nèi)治療效果，能夠殺滅超過 95% 的肺部細(xì)菌。更值得一提的是，EME7(7) 在體內(nèi)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)于多粘菌素 B 的腎毒性，使其展現(xiàn)出優(yōu)異的臨床潛力。

圖5. EME抗菌肽體內(nèi)治療效果與毒性評價

總的來說，在這項工作中，研究團(tuán)隊結(jié)合“預(yù)訓(xùn)練+多步微調(diào)”小樣本學(xué)習(xí)策略開發(fā)深度學(xué)習(xí)模型，首次實現(xiàn)僅利用 148 陽性樣本訓(xùn)練高預(yù)測性模型，從百億級的多肽空間中精準(zhǔn)挖掘鮑曼不動桿菌抗菌肽，成功率高達(dá) 91.1%（41/45）。濕實驗測試表明，抗菌肽能高效殺滅鮑曼不動桿菌、不易誘導(dǎo)耐藥性并且細(xì)胞毒性低；其中，EME7(7) 表現(xiàn)出優(yōu)于臨床用藥多粘菌素 B 的治療效果，其體內(nèi)殺菌效率與多粘菌素 B 持平，并且不會誘導(dǎo)腎毒性。這項工作為解決現(xiàn)實中突出存在的小樣本問題場景提供了全新解決范式。

論文鏈接：

1. https://www.nature.com/articles/s41551-022-00991-2

2. https://www.nature.com/articles/s41467-026-69306-2

博士后招聘

PI 簡介：

黃俊杰，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所副研究員，博士生導(dǎo)師，浙江省高層次青年人才，BMEMat 青年編委。主持國自然面上項目、青年項目，浙江省自然重大項目等，參與國家重點研發(fā)計劃，浙江省尖兵領(lǐng)雁項目（排名前三）等。近年來以第一/通訊作者在 Nat. Biomed. End., Nat. Commun. 等期刊發(fā)表論文 9 篇，授權(quán)專利 5 項，另有工作正刊在修。曾獲杭州青山湖材料基因工程青年科學(xué)家獎（中國工程院主辦會議）、浙江大學(xué)國際聯(lián)合學(xué)院優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果獎、浙江大學(xué)國際聯(lián)合學(xué)院年度學(xué)術(shù)新人獎。研究方向為：1）知識嵌入模型賦能抗菌肽從頭設(shè)計；2）分子大模型賦能小分子藥物設(shè)計。

招聘專業(yè)：

人工智能 （機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、NLP、知識圖譜）、化學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科。

崗位要求：

1. 遵紀(jì)守法，品學(xué)兼優(yōu)，身心健康。

2. 年齡一般不超過35 歲，應(yīng)屆博士畢業(yè)生或獲博士學(xué)位不超過3 年。

3. 具有良好的學(xué)術(shù)背景和研究基礎(chǔ)，富有發(fā)展?jié)摿皥F(tuán)隊合作精神。

4. 專業(yè)需符合課題組要求，且能全職從事博士后研究。

5. 有人工智能、大模型、結(jié)構(gòu)預(yù)測、抗菌肽、藥物設(shè)計等相關(guān)研究經(jīng)驗者優(yōu)先考慮。

6. 具備獨立開展和完成科研項目能力，發(fā)表過學(xué)術(shù)論文，有基金申請經(jīng)驗的優(yōu)先。

7. 對科研工作充滿興趣，善于走出舒適圈，并樂于突破和創(chuàng)新，具有主動思考和解決問題的能力，工作踏實認(rèn)真，有責(zé)任心和團(tuán)隊合作精神。

崗位待遇：

1. 年薪 30 萬+科研績效獎勵+五險一金單位繳納部分；

2. 課題組提供科研啟動經(jīng)費及科研所需的辦公和實驗場地；

3. 享受食堂餐補(bǔ)、工會福利、醫(yī)院 VIP 體檢、落戶、子女入學(xué)入托等相關(guān)待遇；

4. 享受杭州市博士后人才政策：應(yīng)屆生來杭生活補(bǔ)貼 10 萬元，租房補(bǔ)貼 2500 元/月，科研項目經(jīng)費 1:1 配套（中國博士后科學(xué)基金和省級博士后項目）。更多政策待遇詳見“人才杭州”微信小程序。

5. 單位預(yù)留事業(yè)編制遴選優(yōu)秀博士后出站留所，可享受博士后留杭補(bǔ)貼 40 萬元，申請杭州市 D 類人才享受購房補(bǔ)貼 100 萬元。

國家級博士后人才項目入選者：在上述待遇的基礎(chǔ)上，在站期間年薪提升至 40-50 萬，額外撥付科研經(jīng)費 50 萬，納入中國科學(xué)院特別研究助理崗位體系。出站后直接留所（事業(yè)編制），并享受人才引進(jìn)同等待遇（安家費、科研啟動經(jīng)費等），推薦申報國家級青年人才項目（指標(biāo)單列）。

應(yīng)聘方式：

有意者請將個人簡歷發(fā)送至：huangjunjie@him.cas.cn，郵件主題為“姓名+博士后+研究方向”，簡歷中請注明申請者的個人聯(lián)系方式，并在郵件中注明預(yù)計進(jìn)站時間。

本招聘長期有效。