主要观点总结
文章介绍了北京师范大学秦志伟课题组在抗菌肽领域的研究进展。该课题组利用蛋白质语言模型构建了一种针对小样本抗菌肽的定向进化算法，并通过实验验证了其有效性。研究内容包括LBD序列的改造、抗菌活性测试、机制分析和进化趋势分析。该研究为新型抗菌肽类药物的开发提供了可行的思路。
关键观点总结
关键观点1: 抗菌肽作为抗生素替代品的研究背景
抗菌肽因其在宿主天然免疫中的作用被视为潜在的抗生素替代品，但存在活性低和代谢不稳定的问题，需进行理性改造提升活性。
关键观点2: 秦志伟课题组的研究内容
课题组利用蛋白质语言模型构建了一种针对小样本抗菌肽的定向进化算法，以LBD序列为研究对象进行改造，并通过实验验证其抗菌活性。
关键观点3: 研究成果
研究团队得到了一系列LBD序列，其中4条合成后通过抗菌实验验证了其有效性。研究发现LBD结构约束可优化电势排布，破坏革兰氏阴性菌的细菌外膜结构。同时，结合梯径理论分析了LBD的进化趋势，验证了定向进化方法的合理性。
关键观点4: 研究团队和资助
该研究由秦志伟课题组完成，得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重大人才工程项目等资助。论文的第一作者为2022级硕士研究生高千迪和2023级硕士研究生葛良军，通讯作者为秦志伟研究员等。
正文
抗菌肽因其在宿主天然免疫中的作用，被视为潜在的应对细菌耐药性的抗生素替代品。然而，许多天然抗菌肽活性较低且代谢不稳定，需对其氨基酸序列进行理性改造进而提升活性。但目前针对特定抗菌肽的数据通常稀缺（小样本），难以对其庞大的化学空间进行有效改造。近日，北京师范大学秦志伟课题组在International Journal of Biological Macromolecules期刊上在线发表题为“An explainable few-shot learning model for the directed evolution of
antimicrobial peptides”的研究论文。该研究基于蛋白质语言模型，从理化性质和结构约束两方面入手，构建了一种针对小样本抗菌肽的定向进化算法，并以脂多糖结合域 (lipopolysaccharide-binding domain, LBD) 序列作为研究对象对其进行序列和结构改造（图1）。
其次，研究人员利用该算法得到了一系列的LBD序列，选择其中打分较高的4条进行合成，并通过抗菌实验和作用机理分析验证了其有效性（图2）。此外，溶液核磁结构显示，LBDi具有一个稳定的α螺旋（图2a）。针对LBD的结构约束可以优化其结构上的电势排布，使得正电荷突出作为与脂多糖稳定结合的潜在位点（图2b），进一步破坏革兰氏阴性菌的细菌外膜结构（图2c）。
最后，研究人员结合梯径理论进一步分析了LBD的进化趋势，结果表明，其进化不仅依赖于理化性质的改变，还需兼顾结构进化的合理性。N端或C端与中间残基的远程相互作用对维持LBD整体构象和二级结构至关重要（图3），而这进一步验证了本研究定向进化方法的合理性，并为新型抗菌肽类药物的开发提供了可行的思路。
来自北京师范大学的2022级硕士研究生高千迪和2023级硕士研究生葛良军为本文的第一作者，秦志伟研究员、张鹤千副教授、黄家权讲师为通讯作者。本项工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重大人才工程项目等资助。
论文链接：
(1) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141813024090834?via%3Dihub
相关论文链接：
(2) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209012322400078X?via%3Dihub
(3) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141813024016568
这是秦志伟课题组今年发表的第三篇关于抗菌肽类药物开发的研究论文，该课题组的研究兴趣聚焦微生物来源的小分子天然产物和动物细胞来源的抗菌肽研究，近年来将先进的人工智能技术与本领域的工作相结合，致力于开发新一代生物医药。该课题组常年招收生物信息、计算机、有机化学、微生物学等领域的优秀博士后，工作地点在北京师范大学珠海校区，课题组官网：www.zhiweiqin.com
感谢秦志伟课题组对本公众号的支持！感谢该课题组提供本文稿件支持！
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