计算性的匹配游戏识别潜在的抗生素

卡内基梅隆大学的计算生物学家设计了一种软件工具，可以玩高速的“配对游戏”来识别生物活性分子和产生它们的微生物基因，以便可以将它们评估为可能的抗生素和其他治疗剂。

与加州大学圣地亚哥分校和其他六个学院的同事合作，CMU计算生物学系助理教授Hosein Mohimani和博士生Liu Cao。该系的一名学生证明，他们的MetaMiner工具可以比以前的方法识别生物活性分子的速度至少快100倍。

研究人员在今天发表在《细胞系统》杂志上的一篇研究论文中，讨论了他们的发现，包括从人类肠道，深海和国际空间站等各种环境中发现的七个先前未知的具有生物学意义的分子。

直接从环境中获取微生物 DNA的新技术引起了人们对微生物群落的强烈兴趣，包括那些与健康人类共存的微生物群落。一些微生物产生保护其宿主的分子，因此成为治疗药物的候选者。在过去的十年中，微生物学家已经建立了许多大型的微生物DNA数据库。

但是微生物群落由成百上千种不同类型的微生物以及数百万种不同的分子产物组成，每个微生物如果被单独取出进行研究，往往会迅速死亡。因此，鉴定可能是候选药物的分子并分离产生它们的微生物需要一些创新的思维。

Cao和Mohimani决定使用一种称为基因组挖掘的方法。这涉及查看基因簇，并试图推断这些基因产生的分子。Mohimani说，这就像看着汽车装配线并试图确定它可以制造什么样的汽车。

但是，预测基因簇的分子产物充满了错误。为了解决此缺点，他和Mohimani借用了电气工程学中的一个技巧，称为维特比解码，该技巧可帮助工程师检测“嘈杂”无线电信道中的消息。这使他们能够构建一个容错搜索引擎，该引擎可以找到微生物DNA数据库与通过质谱鉴定分子产物的数据库之间的匹配。

Cao和Mohimani与来自多个机构的微生物学家合作，将他们的方法应用于发现核糖体合成和翻译后修饰的肽(或RiPPs)，这是一种天然产物家族，已在制药和食品工业中得到应用。

已经发现了约20,000个编码RiPP的基因簇，但是直到现在，只有少数RiPP与这些簇之一匹配。通过使用MetaMiner搜索数百万种分子产物谱并将它们与八个数据集中的基因簇进行比较，研究人员能够在大约两周的时间内鉴定出31种已知的RiPP和7种先前未知的RiPP。

“通常，您会很乐意找到一场比赛，” Mohimani说。他补充说，用手工方法获得这些结果可能需要数十年。