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AI弗萊明: 新一代功能性與治療用胜肽的生成式設計、模型評選與實證之人工智慧整合平台
2024-01-03
林仲彥研究員團隊/中央研究院資訊科學研究所、台北醫學大學癌症轉譯研究中心、台大藥學專業學院、台灣大學農業化學系

林仲彥、陳淑華、沈麗娟、林子棠、呂怡萱、鄭文芝、莊惟媗、柯琪峰、賴珈汶、施養信

面臨新病毒與耐藥性挑戰,本研究透過AI與生成對抗網路模型設計新抗菌肽,減少開發成本與時間。利用深度學習與人工智慧篩選低毒性候選物,已合成具抗菌與抗癌能力胜肽。因應不同功能性胜肽特性,評估使用集成學習(Ensemble AI)與資料增強(data augmentation)策略,來提升預測精準度;對於新興病毒如COVID-19,則利用遷移式學習(Transfer Learning)方式,建立AMP/Anti-Viral Peptide (AVP)模型為基礎的功能鑑別模型,找出能對抗COVID-19及其他未來可能出現新興病毒的治療用候選胜肽。希望未來能以此一架構策略(AI Fleming)來延伸到不同治療用胜肽的開發,並加速其整體研發時程,讓我們有更多的針對未來新興疾病的可能對策,進而取代既有由化合物資料庫及大自然中,以海底撈針式曠日廢時的找尋方式。 本研究已發展出之技術成果簡述如下: 1. 完成人工智慧治療用胜肽開發平台,包括 ① 胜肽序列快速編碼方法 ②集成式胜肽功能鑑別與溶血預測平台(人工智慧模型為核心之網站) ③特定功能胜肽生成器。 2. 進行全新抗藥性細菌抗菌肽之設計合成,及對抗特定病原及癌細胞之驗證 ,並已找出數條具抗菌、抗黴或抗癌潛力之低毒性胜肽,可作為後續應用的基礎。

評審推薦
1. 本案透過生成對抗網路模型,設計全新具抗菌能力之胜肽,再以人工智慧加以鑑別有效且低毒性之候選胜來進行合成與實地驗證,加速全新抗菌肽的設計與開發流程。
2. 利用AI來作為胜肽的治療篩選平台及篩選出抗細菌的胜肽,效果和目前的抗生素接近而副作用更少。
3. 尋找 powerful antimicrobial peptide是全世界關注之議題,研究者具有海量資料可供運算,可加速前期開發期程並降低所需的費用。
2024年度精進成果
1. 自2021年底本研究第一篇相關論文刊出,統計後續相關論文產出,三年內這四篇論文已累積共86篇文章引用。目前正進行抗黴肽與細胞毒性預測平臺的投稿,希望能更增加國際曝光度,並推廣此一成果給更多的研究社群使用。 2. 在序列生成部分,除了先前本團隊所研發的GAN模型外,也引入Evo-Diff以演化策略,藉由保守序列為基礎,來快速且大量地生成與自然界所創造相近的候選序列,加速後續功能性勝肽的找尋與鑑別。 3. 在抗菌肽效果實證部分,透過螢光共軛顯微鏡發現,所合成的抗菌肽能附著於E. coli、P. aeruginosa、CRAP、MRSA及S. aureus等菌體表面。同時利用高解析度掃描電子顯微鏡 (High resolution scanning electron microscopy, HRSEM)也顯示,特定的抗菌肽可以在上述的菌體表面產生皺摺與破壞,甚至造成菌體的瓦解。透過soft x-ray tomography觀察大腸桿菌的細胞膜,經過所合成的抗菌肽處理後,發現細胞膜產生不連續面,以及細菌橫切面出現空洞,顯示了菌體表面被破壞進而造成內部物質外洩。 4. 在抗病毒肽部分,除了訓練資料集的更新外,也對模型進行優化,以四個CNN區塊結合後續的pooling及Fully connected layers,將整個準確率由84%提升到90%,其機器學習中的二元分類模型性能的指標(Matthew's Correlation Coefficient, MCC,最大值為1)也由0.68上昇至0.8。此外,也以此一抗病毒預測模型為基礎,利用抗流感病毒勝肽與非流感病毒勝肽,透過遷移式學習的方式,建構優化的抗流感勝肽的預測模型,目前準確率達88%,其MCC也達0.77,將進一步與UCLA團隊合作,進行驗證。 5. 在溶血預測部分,我們建構了第一個結合施用濃度與勝肽序列的模型,預測準確率達八成左右。目前也將此一模型建立線上網站,並也整合到功能性勝肽預測平臺中。 6. 本研究相關產出程式碼與資料集,大多已在Github上可以找到。並提供說明檔與測試檔案供使用者進行驗證,減少使用上的資訊技術屏障。
團隊簡介
林仲彥
學歷 國立臺灣大學博士
現職 中央研究院資訊科學研究所 研究員
經歷

 台大生科院與基因體學程 合聘教授(2020-)
 國家衛生研究院 群體科學研究所 合聘副研究員 (2010-)
 日本独立行政法人 産業技術総合研究所 訪問研究員(2011-2012)
 美國加州大學洛杉磯分校藥理學院 訪問研究員(2010-2011)
 國家新創獎-學研新創獎/National Innovation Award (2018, 2020, 2021)
 國家新創獎-學研永續獎/National Innovation Award (2019, 2020, 2021)
 科技部未來科技突破獎/ MOST, Future Breakthrough Award (2018, 2021)
 科技部延攬特殊優秀人才獎助(2014-2021)
 國科會優秀年輕學者獎助(2011-2014)
 美國微軟公司全球雲端開發計畫兩項獎助(雲端電子記事本及全基因體甲基化雲端分析平台2011-2013)

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