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 对噬菌体治疗抗生素耐药感染的治疗应用的兴趣越来越大 和肠道微生物组相关的疾病。噬菌体疗法具有潜在极端特异性的优势 与传统的抗生素相比 治疗。但是,鉴定针对感兴趣的生物并确定宿主范围的噬菌体 仍然是技术挑战。噬菌体的宿主分配通常需要有机体的实验室文化 有趣的是,试图靶向难以培养的生物并引入的障碍 对现有的噬菌体宿主知识基础有重要的偏见。就像抗生素一样,有机体可能 可以获得对噬菌体转导的抗性,从而限制了单个噬菌体的效用,可以随着时间的推移治疗感染。 由于这些原因 从未培养的微生物种群中有效地靶向。 在此应用程序中,我们建议开发一个基于机器学习的平台,以识别和 来自元基因组整个基因组测序(WGS)数据的噬菌体及其宿主的分配。我们的方法 利用接近连接测序或HI-C的独特属性有效地收集直接的物理 混合微生物群落的噬菌体主持协会的证据。我们建议将这项技术用于 从人类粪便样品中组装一个大规模的高质量噬菌体 - 主持人交互数据集,使用它来训练 机器学习模型可预测现有WGS数据的噬菌体宿主关系,并提供方便 用户输入宏基因组学的平台会读取以接收噬菌体 - 宿主信息。这种方法将使 噬菌体的鉴定和噬菌体的组合同时靶向否则的生物 通过现有和将来的WGS数据集的标准临床方法无法提取。

项目成果

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