Therapeutic phage host-range prediction using proximity-guided metagenomics and artificial intelligence

使用邻近引导宏基因组学和人工智能进行治疗性噬菌体宿主范围预测

基本信息

  • 批准号:
    10547653
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 99.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT There is growing interest in the therapeutic application of phage for treatments of antibiotic-resistant infections and gut microbiome-related disorders. Phage therapies have the advantage of potentially extreme specificity for their targets leading to very little in the way of off-target side effects when compared with traditional antibiotic therapy. However, the identification of phage that target an organism of interest and determining host range remains a technical challenge. Host assignment for a phage typically requires laboratory culture of the organism of interest, a significant barrier when trying to target organisms which are difficult to culture, and introducing significant biases into the existing phage-host knowledge base. And like antibiotics, it is possible that organisms can acquire resistance to phage transduction, limiting the utility of a single phage to treat an infection over time. For these reasons it would be highly beneficial to have the ability to identify phage with potentially therapeutic targets efficiently from an uncultured population of microbes. In this application, we propose to develop a machine-learning based platform for the identification and assignment of phage and their hosts from metagenomic whole genome sequencing (WGS) data. Our approach leverages the unique property of proximity ligation sequencing, or Hi-C, to efficiently gather direct physical evidence of phage-host associations from mixed microbial communities. We propose to use this technology to assemble a large-scale, high-quality phage-host interaction dataset from human fecal samples, use it to train a machine learning model to predict phage-host relationships from existing WGS data, and provide a convenient platform for users to input metagenomic reads to receive phage-host information. This approach would enable the identification of phage and combinations of phage to simultaneously target organisms that are otherwise untractable through standard clinical methods from both existing and future WGS data sets.
抽象的 人们对噬菌体在抗生素耐药性感染治疗中的治疗应用越来越感兴趣 和肠道微生物组相关疾病。噬菌体疗法具有潜在的极端特异性的优点 与传统抗生素相比,他们的目标导致很少的脱靶副作用 治疗。然而,识别目标生物体的噬菌体并确定宿主范围 仍然是一个技术挑战。噬菌体的宿主分配通常需要生物体的实验室培养 有趣的是,当试图瞄准难以培养的生物体时,这是一个重大障碍,并引入 现有噬菌体宿主知识库存在重大偏差。就像抗生素一样,有机体有可能 可以获得对噬菌体转导的抗性,随着时间的推移限制了单个噬菌体治疗感染的效用。 由于这些原因,能够识别具有潜在治疗作用的噬菌体将非常有益 有效地针对未培养的微生物群体。 在此应用中,我们建议开发一个基于机器学习的平台,用于识别和识别 根据宏基因组全基因组测序(WGS)数据分配噬菌体及其宿主。我们的方法 利用邻近连接测序 (Hi-C) 的独特特性,有效收集直接物理数据 来自混合微生物群落的噬菌体-宿主关联的证据。我们建议使用这项技术 从人类粪便样本中组装出大规模、高质量的噬菌体-宿主相互作用数据集,用它来训练 机器学习模型从现有的WGS数据预测噬菌体-宿主关系,并提供方便的 供用户输入宏基因组读数以接收噬菌体宿主信息的平台。这种方法将使 鉴定噬菌体和噬菌体组合以同时靶向生物体,否则 通过现有和未来的 WGS 数据集的标准临床方法无法处理。

项目成果

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