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Nature | Scientific Reports | 人源蛋白質(zhì)衍生的抗菌肽：化妝品防腐系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)與應(yīng)用
化妝品中的防腐劑是不可或缺的成分，但其安全性問題引起了廣泛關(guān)注。因此，迫切需要安全有效的替代品?？咕模ˋMPs）是天然免疫系統(tǒng)的一部分，具有強(qiáng)大的抗菌特性。通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的合理設(shè)計(jì)，我們獲得了一種新型抗菌肽IK-16-1，它基于β-防御素，具有顯著的抗菌活性并保持安全性。IK-16-1對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌等多種微生物具有廣譜抗菌特性，并且沒有溶血活性。IK-16-1在化妝品行業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊，因?yàn)樗梢宰鳛榉栏瘎﹨f(xié)同劑，減少化妝品中其他防腐劑的用量。本研究驗(yàn)證了結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)與人工智能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)AMPs的可行性，實(shí)現(xiàn)了快速篩選并降低了開發(fā)成本。
化妝品行業(yè)是全球發(fā)展最快的行業(yè)之一。防腐劑是化妝品產(chǎn)品中必不可少的成分，它們抑制微生物生長(zhǎng)，防止產(chǎn)品變質(zhì)。然而，防腐劑是化妝品中最常見的過敏原之一。某些防腐劑可能會(huì)引起化妝品接觸性皮炎，例如甲基異噻唑啉酮（MI）、甲基氯異噻唑啉酮/甲基異噻唑啉酮（MCI/MI）、對(duì)羥基苯甲酸酯和甲醛釋放劑。此外，留置型化妝品中的某些防腐劑可能會(huì)破壞皮膚微生物群的平衡。因此，迫切需要安全、有效、廣譜的抗菌劑。
盡管目前通過組合不同的防腐劑來改善化妝品的防腐效果，但這并不能從根本上解決問題。因此，開發(fā)具有仿生特性的人源蛋白質(zhì)衍生的抗菌肽作為化妝品防腐劑是一個(gè)新的研究方向。
本研究的目標(biāo)是通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的合理設(shè)計(jì)，基于人體內(nèi)源性蛋白質(zhì)β-防御素，開發(fā)出一種新型的抗菌肽IK-16-1，用作化妝品的防腐劑協(xié)同劑，以減少化妝品中過敏性防腐劑的使用。
AMPs是許多生物體天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分，具有廣泛的活性，可以對(duì)抗革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌、真菌、分枝桿菌和一些有包膜的病毒。AMPs的結(jié)構(gòu)多樣，可以根據(jù)其次級(jí)結(jié)構(gòu)分為α-螺旋、β-折疊、環(huán)狀和擴(kuò)展型肽。在這些結(jié)構(gòu)中，α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)更為常見。人類β-防御素3型（hBD-3）是一種富含半胱氨酸的小分子抗菌肽，具有廣譜抗菌活性，可能在天然上皮防御中發(fā)揮重要作用。
本研究采用基于AI深度學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)算法和合理的分子設(shè)計(jì)，開發(fā)了基于人體內(nèi)源性蛋白的新型仿生AMPs。通過調(diào)整α-螺旋結(jié)構(gòu)的肽，使疏水和親水殘基位于螺旋表面的相對(duì)側(cè)，以提高微生物膜的孔形成能力。使用AI程序預(yù)測(cè)肽的抗菌能力，并使用可用的AI算法預(yù)測(cè)溶血活性。所有新的高分仿生肽都被合成并篩選其微生物抑制活性。
本研究首先介紹了化妝品中防腐劑的重要性和存在的問題，然后描述了AMPs的特性和作為化妝品防腐劑的潛力。接著，詳細(xì)介紹了利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)AMPs的方法和步驟，包括AMPs的設(shè)計(jì)流程、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)、抗菌活性測(cè)試和安全性評(píng)估。最后，討論了IK-16-1作為化妝品防腐劑協(xié)同劑的潛力和未來研究方向。
如圖1所示，我們選擇了β-防御素103的第30至45位氨基酸序列作為模板，并優(yōu)化它以確定目標(biāo)AMP IGKVLTRVKLLRRIK的氨基酸序列，命名為IK-16-1。預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)為α-螺旋。AMPs的概率得分為1，表明IK-16-1很可能成為AMP。溶血概率為0.006，表明IK-16-1不太可能溶血。
圖2展示了通過螺旋輪投影得到的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，這是設(shè)計(jì)AMPs時(shí)考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。
表1顯示了IK-16-1對(duì)四種微生物的生長(zhǎng)影響。通過抑制圈直徑和最小抑制濃度值，發(fā)現(xiàn)IK-16-1對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌具有廣譜抗菌特性。
表2進(jìn)一步測(cè)試了IK-16-1的效果，顯示了IK-16-1具有廣譜抑制效果，盡管其抗真菌活性不如抗菌活性高。
圖3顯示了即使在使用的肽溶液的最高濃度下，也沒有觀察到溶血活性。
表3顯示了IK-16-1與常見防腐配方結(jié)合使用時(shí)，在早期顯著抑制了微生物生長(zhǎng)。
本研究通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)獲得了一種基于β-防御素103設(shè)計(jì)的新型抗菌肽IK-16-1，具有顯著的抗菌活性并保持安全性。這些結(jié)果證實(shí)了我們的假設(shè)，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)AMPs的工作流程是可行的。IK-16-1不僅具有廣譜抗菌特性，而且顯示出良好的安全性，對(duì)角質(zhì)形成細(xì)胞無毒性，沒有溶血活性。值得注意的是，市場(chǎng)上化妝品中添加的防腐劑數(shù)量可能超過了實(shí)際需求。本研究中只使用了30%的防腐劑，但其防腐效果與正常配方相當(dāng)。因此，IK-16-1可以作為協(xié)同防腐劑，減少化妝品中防腐劑的使用。未來的研究將探討IK-16-1與其他防腐劑的協(xié)同效應(yīng)。
本研究證明了機(jī)器學(xué)習(xí)可以顯著提高抗菌活性和安全性，縮短開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。所有在本研究中生成或分析的數(shù)據(jù)都可以通過合理的請(qǐng)求從相應(yīng)的作者處獲得。
本研究主要關(guān)注于利用人體內(nèi)源性蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算模擬和人工智能(AI)基于機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)工具，設(shè)計(jì)出一種新型的抗菌肽IK-16-1，旨在為化妝品行業(yè)提供安全有效的防腐劑替代方案。IK-16-1源自β-防御素，表現(xiàn)出對(duì)多種致病菌，包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌的廣譜抗菌性能，同時(shí)無溶血活性，具備成為化妝品行業(yè)防腐增效劑的潛力，以減少化妝品中其他防腐劑的使用量。此研究證實(shí)了結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)與人工智能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)抗菌肽的可行性，以實(shí)現(xiàn)快速篩選和降低開發(fā)成本。
化妝品行業(yè)是全球發(fā)展最迅速的行業(yè)之一，化妝品中的防腐劑對(duì)于抑制微生物生長(zhǎng)和防止產(chǎn)品變質(zhì)至關(guān)重要。然而，常見的防腐劑如對(duì)羥基苯甲酸酯、甲醛釋放劑、異噻唑啉酮、苯氧乙醇和有機(jī)酸等，都是化妝品中常見的過敏原。另外，某些防腐劑可能會(huì)破壞皮膚微生物群的平衡。因此，急需開發(fā)安全、有效且具有廣譜抗菌性的替代劑。
抗菌肽(AMPs)是天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)多種病原體（包括革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、真菌、分枝桿菌和某些包膜病毒）展示了不同的活性。其中，人類β防御素3（hBD-3）是一種富含半胱氨酸的小分子抗菌肽，具有廣譜抗菌活性，且由于其殺菌機(jī)制是破壞細(xì)胞膜（化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定），其抗菌活性不會(huì)引起藥物耐藥性。
機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)是描述系統(tǒng)從特定問題的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，自動(dòng)化分析模型的構(gòu)建和處理相關(guān)任務(wù)的過程。ML大大提高了工作效率和準(zhǔn)確性，通過集合關(guān)于抗菌機(jī)制、序列和結(jié)構(gòu)的深入了解，可以加速AMP的篩選和設(shè)計(jì)。
論文探索了使用基于人體內(nèi)源蛋白質(zhì)的抗菌肽（AMPs）作為化妝品保護(hù)系統(tǒng)的安全有效替代品。在化妝品行業(yè)中，保護(hù)劑對(duì)防止微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)品變質(zhì)至關(guān)重要，但由于安全問題而受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的保護(hù)劑，如對(duì)羥基苯甲酸酯（防腐劑）、甲醛釋放劑和異噻唑啉酮等，已被發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致過敏反應(yīng)、破壞皮膚微生物群落平衡。因此，迫切需要開發(fā)既安全又有效的替代保護(hù)劑。
抗菌肽是一類具有廣泛抗微生物特性的短肽，是許多生物體內(nèi)在免疫系統(tǒng)的重要組成部分。論文通過計(jì)算模擬和人工智能（AI）基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）工具的設(shè)計(jì)出一種新的抗菌肽IK-16-1，該肽基于β-防御素（一種具有廣譜抗菌活性的小分子抗菌肽），并預(yù)測(cè)它具有優(yōu)良的抗菌和血紅細(xì)胞溶解活性。此外，研究還驗(yàn)證了結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)與AI預(yù)測(cè)來設(shè)計(jì)AMPs的可行性，實(shí)現(xiàn)了快速篩選和降低開發(fā)成本。
根據(jù)文件內(nèi)容，《Machine learning assisted rational design of antimicrobial peptides based on human endogenous proteins and their applications for cosmetic preservative system optimization》這篇論文使用了一種結(jié)合計(jì)算模擬、人工智能(AI)基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具、以及生物模擬的方法來開發(fā)基于內(nèi)源性人類蛋白質(zhì)的新型生物模擬抗菌肽(AMPs)。這些AMPs的抗菌和溶血性質(zhì)通過預(yù)測(cè)進(jìn)行了評(píng)估。
研究團(tuán)隊(duì)利用基于預(yù)測(cè)算法和合理分子設(shè)計(jì)的AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)，從內(nèi)源性人類蛋白質(zhì)出發(fā)，開發(fā)了新型的生物模擬AMPs。這里，β-防御素的短類似物被用作模板肽。通過調(diào)整氨基酸殘基，使得親水和疏水殘基位于螺旋表面的相反側(cè)，從而提高了微生物膜的穿孔能力。為了安全考慮，還預(yù)測(cè)了溶血活性，使用的是現(xiàn)有的AI算法。
研究方法主要分為幾個(gè)步驟：
研究結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的AMP（IK-16-1）展示出了針對(duì)幾種常見引起化妝品變質(zhì)的微生物（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌）的廣譜抗菌特性。IK-16-1的最小抑制濃度進(jìn)一步驗(yàn)證了其效果，盡管其抗真菌活性不如抗細(xì)菌活性高。
這篇論文采用了“實(shí)驗(yàn)研究”的方法。結(jié)合計(jì)算模擬、人工智能預(yù)測(cè)和生物模擬的方法，通過設(shè)計(jì)、合成和測(cè)試一系列新型AMPs，論文在化妝品保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化方面取得了顯著進(jìn)展。這項(xiàng)研究不僅驗(yàn)證了通過計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)合AI預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)AMPs的可行性，而且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了這些新型生物模擬肽的廣譜抗菌特性及其在化妝品中的應(yīng)用潛力。這種方法通過減少傳統(tǒng)保護(hù)劑的使用，為化妝品行業(yè)提供了一種潛在的更安全、更有效的替代方案。
總結(jié)：
結(jié)論：
Nature | Scientific Reports | 人源蛋白質(zhì)衍生的抗菌肽：化妝品防腐系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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