6 research outputs found

    Predicting the Most Tractable Protein Surfaces in the Human Proteome for Developing New Therapeutics

    Get PDF
    A critical step in the target identification phase of drug discovery is evaluating druggability, i.e., whether a protein can be targeted with high affinity using drug-like ligands. The overarching goal of my PhD thesis is to build a machine learning model that predicts the binding affinity that can be attained when addressing a given protein surface. I begin by examining the lead optimization phase of drug development, where I find that in a test set of 297 examples, 41 of these (14%) change binding mode when a ligand is elaborated. My analysis shows that while certain ligand physiochemical properties predispose changes in binding mode, particularly those properties that define fragments, simple structure-based modeling proves far more effective for identifying substitutions that alter the binding mode. My proposed measure of RMAC (rmsd after minimization of the aligned complex) can help determine whether a given ligand can be reliably elaborated without changing binding mode, thus enabling straightforward interpretation of the resulting structure-activity relationships. Moving forward, I next noted that a very popular machine learning algorithm for regression tasks, random forest, has a systematic bias in the predictions it generates; this bias is present in both real-world datasets and synthetic datasets. To address this, I define a numerical transformation that can be applied to the output of random forest models. This transformation fully removes the bias in the resulting predictions, and yields improved predictions across all datasets. Finally, taking advantage of this improved machine learning approach, I describe a model that predicts the “attainable binding affinity” for a given binding pocket on a protein surface. This model uses 13 physiochemical and structural features calculated from the protein structure, without any information about the ligand. While details of the ligand must (of course) contribute somewhat to the binding affinity, I find that this model still recapitulates the binding affinity for 848 different protein-ligand complexes (across 230 different proteins) with correlation coefficient 0.57. I further find that this model is not limited to “traditional” drug targets, but rather that it works just as well for emerging “non-traditional” drug targets such as inhibitors of protein-protein interactions. Collectively, I anticipate that the tools and insights generated in the course of my PhD research will play an important role in facilitating the key target selection phase of drug discovery projects

    Mining of soluble enzymes from genomic databases

    Get PDF
    Enzymy jsou proteiny urychlující chemické reakce s velkým potenciálem pro farmaceutický a obecně chemický průmysl. Enzymatická funkce je obvykle zajištěna několika nepostradatelnými aminokyselinami, které tvoří tzv. aktivní místo, kde se odehrává chemická reakce. V této práci jsou prezentovány dva integrované softwarové nástroje pro dolování a racionální výběr nových rozpustných enzymů - EnzymeMiner a SoluProt.  EnzymeMiner slouží k hledání nových enzymů. Na vstupu vyžaduje jednu nebo více sekvencí zvoleného enzymu spolu se seznamem klíčových aminokyselin. Tento seznam slouží k zvýšení pravděpodobnosti, že nalezený enzym bude mít podobnou funkci jako vstupní enzym. Výstupem EnzymeMineru je množina anotovaných sekvencí nalezených v databázi. Za účelem ulehčení výběru několika málo kandidátů pro experimentální ověření v laboratoři integruje EnzymeMiner anotace z dostupných databází - informaci o zdrojovém organismu a prostředí, ve kterém se vyskytuje, a informaci o proteinových doménách, ze kterých se enzym skládá. Hlavním kritériem pro výběr kandidátů je rozpustnost predikovaná druhým prezentovaným nástrojem, SoluProtem. SoluProt je metoda založená na strojovém učení, která predikuje heterologní rozpustnou expresi proteinu v organismu Escherichia coli . Vstupem je sekvence a výstupem je pravděpodobnost, že protein bude exprimován v rozpustné formě. SoluProt využívá model gradient boosting machine a byl trénován na datové sadě odvozené od databáze TargetTrack. Při srovnání na vyvážené nezávislé datové sadě odvozené z databáze NESG dosáhl SoluProt přesnosti 58,5 % a hodnoty AUC 0,62, čímž lehce převyšuje ostatní existující nástroje. Nástroje EnzymeMiner i SoluProt jsou často využívány řadou uživatelů z oblasti proteinového inženýrství za účelem hledání nových rozpustných biokatalyzátorů chemických reakcí. Ty mají velký potenciál snížit energetickou náročnost a ekologickou zátěž mnoha průmyslových procesů.Enzymes are proteins accelerating chemical reactions, which makes them attractive targets for both pharmaceutical and industrial applications. The enzyme function is mediated by several essential amino acids which form the optimal chemical environment to catalyse the reaction. In this work, two integrated bioinformatics tools for mining and rational selection of novel soluble enzymes, EnzymeMiner and SoluProt, are presented. EnzymeMiner uses one or more enzyme sequences as input along with a description of essential residues to search the protein database. The description of essential amino acids is used to increase the probability of similar enzymatic function. EnzymeMiner output is a set of annotated database hits. EnzymeMiner integrates taxonomic, environmental, and protein domain annotations to facilitate selection of promising targets for experiments. The main prioritization criterion is solubility predicted by the second tool being presented, SoluProt.  SoluProt is a machine-learning method for the prediction of soluble protein expression in Escherichia coli . The input is a protein sequence and the output is the probability of such protein to be soluble. SoluProt exploits a gradient boosting machine to decide on the output prediction class. The tool was trained on TargetTrack database. When evaluated against a balanced independent test set derived from the NESG database, SoluProt accuracy was 58.5% and its AUC 0.62, slightly exceeding those of a suite of alternative solubility prediction tools. Both EnzymeMiner and SoluProt are frequently used by the protein engineering community to find novel soluble biocatalysts for chemical reactions. These have a great potential to decrease energetic consumption and environmental burden of many industrial chemical processes.
    corecore