Nature Commun | 浙江大學計劍/張鵬/趙俊博小樣本學習助力發現抗鮑曼不動桿菌新型抗菌肽

抗生素耐藥性已成為威脅全球公共衛生的重大挑戰，每年導致約70萬人死亡。鮑曼不動桿菌作為一種耐藥性極強的革蘭氏陰性病原體，被世界衛生組織列為亟需研發新抗生素的“優先1級”病原體。目前臨床最后一道防線多粘菌素B不僅存在腎毒性風險，耐藥性問題也日益凸顯。抗菌肽因其膜裂解作用機制和低耐藥誘導特性，被視為理想的替代方案。然而，針對鮑曼不動桿菌的抗菌肽數據極其有限（僅148條序列），傳統機器學習方法難以在此數據稀缺場景下實現有效預測。

近日，浙江大學高分子科學與工程系計劍教授、張鵬教授與計算機科學與技術學院趙俊博研究員聯合團隊在《Nature Communications》發表題為“Discovery of antimicrobial peptides targeting Acinetobacter baumannii via a pre-trained and fine-tuned few-shot learning-based pipeline”的研究論文。該研究提出小樣本學習序貫模型集成管道（FSLSMEP），通過預訓練和多階段微調策略，在數據極度匱乏條件下實現了高效抗菌肽挖掘。

研究團隊采用ESM-1b蛋白質預訓練模型作為基礎架構，創新性地設計了兩階段微調策略：首先利用1186條抗綠膿桿菌抗菌肽進行第一輪微調，再使用148條抗鮑曼不動桿菌真實數據進行第二輪微調。模型性能評估顯示，這種多階段微調方法在分類精度、F1分數等指標上顯著優于直接微調，證實引入相似菌種數據能有效提升模型在目標域的表現。

在模型架構比較中，團隊設計了四種不同組合的管道：EEE（ESM-ESM-ESM）、EME（ESM-MLP-ESM）、EMM（ESM-MLP-MLP）和EFE（ESM-融合模型-ESM）。通過完整掃描6400萬條六肽序列，每個管道篩選出排名前10的多肽進行濕實驗驗證。結果顯示EME管道表現最優，10條預測多肽全部具有抗菌活性，其中一條強效肽MIC值達16μg/mL。相比之下，未使用抗鮑曼不動桿菌數據微調的EME*管道僅發現5條活性多肽。

將優化后的EME管道擴展應用至包含250億候選序列的七肽和八肽庫，不經過額外訓練直接篩選。結果顯示，預測的15條七肽中14條具有抗菌活性，15條八肽中14條顯示活性。其中一條七肽EME7(7)對鮑曼不動桿菌MIC值達8μg/mL，與多粘菌素B（4μg/mL）相當。序列分析表明，預測的TOP100抗菌肽與訓練集序列相似性低于55%，但保持了陽離子性和兩親性等關鍵理化特征。

進一步驗證EME管道的普適性，團隊將其應用于抗白色念珠菌抗菌肽的挖掘。利用抗綠膿桿菌數據預微調后，僅用657條抗白色念珠菌數據再次微調。從七肽庫中篩選的TOP10預測肽中，9條顯示出抗白色念珠菌活性，其中一條強效肽MIC值達16μg/mL，證實該方法具有良好的跨物種泛化能力。

對三條代表性抗菌肽EME4(6)、EME7(7)和EME11(8)進行深入表征，它們分別來自六肽、七肽和八肽庫。時間殺菌曲線顯示，在4倍MIC濃度下，3條多肽均在20分鐘內殺滅99.5%以上鮑曼不動桿菌，2小時內殺滅率達99.9%。掃描電鏡和透射電鏡觀察到明顯的細菌膜結構破壞，證實其膜裂解作用機制。

安全性評估顯示，在50μg/mL濃度下，三條多肽對人NIH 3T3細胞和鼠紅細胞的毒性均與多粘菌素B相當，顯著低于臨床批準的短桿菌肽。IC50和HC50值進一步證實其寬治療窗口。耐藥性誘導實驗中，鮑曼不動桿菌與亞抑菌濃度多肽共培養10天后MIC值未見變化，而多粘菌素B組在第3-4天即出現耐藥，MIC值升高4倍。

在小鼠急性肺炎模型中，霧化吸入EME7(7)治療使肺部細菌載量降低93%，治療效果與多粘菌素B相當。但關鍵差異在于腎毒性：多粘菌素B組血尿素氮顯著升高，腎組織學顯示嚴重腎小球損傷和刷狀緣消失；而EME7(7)組各項指標與生理鹽水對照組無異。腹腔注射給藥進一步驗證了這一安全性優勢。

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