항바이러스제 발굴을 위한 분리형 시간 컨볼루셔널 네트워크 기반 딥러닝 기법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13722(2023) 이 기사 인용

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코로나19 팬데믹으로 인한 사망자 수가 놀라울 정도로 늘어나면서 과학계는 치료 약물 발견 과정을 가속화하게 되었습니다. 이와 관련하여 생의학 과학자와 인공 지능(AI) 전문가 간의 협력으로 인해 치료 분자의 초기 스크리닝을 위한 수많은 인실리코 도구가 개발되었습니다. 모든 살아있는 유기체는 침입하는 바이러스에 대한 첫 번째 방어선의 일부로 항바이러스 펩타이드(AVP)를 생산합니다. 본 논문에서 제안된 Deep-AVPiden 모델과 https://deep-avpiden.anvil.app에 배포된 해당 웹 앱은 살아있는 유기체의 프로테옴에서 새로운 AVP를 발견하기 위한 노력입니다. Deep-AVPiden 외에도 Deep-AVPiden(DS)이라는 계산적으로 효율적인 모델도 동일한 기본 네트워크를 사용하지만 점별 분리 가능한 컨볼루션을 사용하여 개발되었습니다. Deep-AVPiden과 Deep-AVPiden(DS) 모델은 각각 90%와 88%의 정확도를 보여주며, 둘 다 90%의 정밀도를 가지고 있습니다. 또한 제안된 모델을 Student's t-test를 이용하여 통계적으로 비교하였다. 제안된 모델을 최신 분류기와 비교한 결과, 제안된 모델이 기존 모델보다 훨씬 나은 것으로 나타났습니다. 제안된 모델을 테스트하기 위해 우리는 식물, 포유류 및 어류의 자연 방어 단백질에서 일부 AVP를 식별하고 실험적으로 검증된 일부 항균 펩타이드와 상당한 서열 유사성을 가지고 있음을 발견했습니다. 이러한 AVP는 화학적으로 합성되고 항바이러스 활성을 테스트할 수 있습니다.

생명을 위협하는 병원체를 죽이거나 억제하는 새로운 항균제의 발견은 기존 항생제의 무능력과 비효율성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 그러나 새로운 종류의 치료법은 높은 효능, 광범위한 활성, 인체 건강에 대한 부작용이 거의 없거나 전혀 없어야 합니다. 이러한 방향에서, 살아있는 유기체의 자연적인 첫 번째 방어선의 필수적인 부분을 형성하는 항균 펩타이드(AMP)를 사용하여 약물을 개발할 수 있습니다. 요즘에는 머신/딥 러닝을 사용하여 AMP를 분석하고 모델링하는 것이 탄력을 받고 있습니다1,2,3,4,5,6,7. 순환 신경망(RNN), 장단기 기억(LSTM) 네트워크, 시간 컨볼루셔널 네트워크(TCN)8,9 등과 같은 딥러닝 기반 시퀀스 모델링 기술을 효과적으로 사용하여 강력한 모델을 개발하여 분류하고 분석할 수 있습니다. 다양한 생명체의 단백질체에서 AMP, 항암 펩타이드10,11 등과 같은 새로운 치료 펩타이드를 발견합니다. 시퀀스 모델링은 텍스트, 오디오, 비디오 등의 형태일 수 있는 순차적 데이터를 입력 및 출력하는 기술입니다. 이를 위해 RNN은 주어진 단위 간의 종속성을 캡처하기 위한 딥러닝 아키텍처로 개발되었습니다. 예측을 하는 순서입니다. 그러나 Vanishing Gradient 문제로 인해 이러한 단위 간의 장거리 종속성을 캡처하지 못합니다. LSTM은 장거리에 걸쳐 단위 간의 상관 관계를 기억하기 위해 게이팅 메커니즘(입력, 출력 및 망각 게이트)을 사용하여 이 문제를 극복한다는 점에서 RNN에 대한 개선으로 제안되었습니다. 그러나 LSTM은 부분 결과를 저장하기 위해 RNN보다 더 많은 메모리가 필요합니다. 또한 RNN 및 LSTM 기반 모델은 순차적으로 작동하므로 지정된 시퀀스(시간 단계라고도 함)의 단위를 병렬로 처리할 수 없습니다. 그러나 TCN에는 이러한 단점이 없습니다. 이 딥 러닝 아키텍처로 수행되는 계산은 멀티 코어 처리 시스템에서 쉽게 분산 및 병렬화될 수 있으며 메모리도 많이 소모하지 않습니다.

이러한 딥 러닝 알고리즘을 사용하여 항바이러스 펩타이드(AVP)를 분류하기 위해 여러 모델이 구축되었습니다. AVP는 바이러스 복제를 억제하기 위해 숙주 또는 숙주 세포를 표적으로 삼아 침입하는 바이러스에 대해 숙주를 표적으로 삼는 AMP의 하위 클래스입니다. 일부 AVP는 숙주 세포 외부의 바이러스 단백질을 억제하거나 숙주 세포막의 연결 부위를 두고 경쟁하기 때문에 바이러스를 박멸합니다12. 대조적으로, 일부 다른 것들은 바이러스 유전자 발현, 복제 등과 같은 바이러스 생활주기의 여러 단계를 방해합니다. 흥미롭게도 수많은 AVP가 포유류, 식물, 어류 및 기타 살아있는 유기체의 프로테옴에 존재합니다. 식물에서 발견되는 사이클타이드(cyclotides)라고 불리는 AVP 계열은 인간 면역결핍 바이러스(HIV)13, H1N114 및 뎅기열15와 같은 광범위한 인간 바이러스가 숙주의 세포막에 결합하는 것을 방지합니다. 나방에서 추출한 Cecropin-A는 유전자 발현을 억제하여 HIV에 대항하는 작용을 합니다. 마찬가지로, Phyllomedusa 속 개구리에서 발견되는 더마셉틴(dermaseptin)으로 알려진 항균 펩타이드(AMP) 계열은 HIV-116에 대한 바이러스 박멸 가능성을 보여주었습니다. 해양 유기체에서 유래된 AVP에 대해 말하자면, 클라바닌으로 알려진 펩타이드 계열은 단순 포진 바이러스(HSV), 로타바이러스 및 아데노바이러스의 병독성을 억제합니다17.