Fast identification of off-target liabilities in early antibiotic discovery with Fourier-transform infrared spectroscopy

Este trabalho foi financiado pelo Concurso Anual para Projetos de Investigação, Desenvolvimento, Inovação e Criação Artística (IDI&CA) 2018 do Instituto Politécnico de Lisboa. Código de referência IPL/2018/RENALPROG_ISEL Este trabalho foi financiado pelo Concurso Anual para Projetos de Investiga...

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Veröffentlicht in:Biotechnology and bioengineering 2021-11, Vol.118 (11), p.4465-4476
Hauptverfasser: Ribeiro da Cunha, Bernardo, Aleixo, Sandra, P. Fonseca, Luis, Calado, Cecília
Format: Artikel
Sprache:eng
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Zusammenfassung:Este trabalho foi financiado pelo Concurso Anual para Projetos de Investigação, Desenvolvimento, Inovação e Criação Artística (IDI&CA) 2018 do Instituto Politécnico de Lisboa. Código de referência IPL/2018/RENALPROG_ISEL Este trabalho foi financiado pelo Concurso Anual para Projetos de Investigação, Desenvolvimento, Inovação e Criação Artística (IDI&CA) 2020 do Instituto Politécnico de Lisboa. Código de referência IPL/2020/NephroMD/ISEL Este trabalho foi financiado pelo Concurso Anual para Projetos de Investigação, Desenvolvimento, Inovação e Criação Artística (IDI&CA) 2017 do Instituto Politécnico de Lisboa. Código de referência IPL/2017/DrugsPlatf/ISEL Structural modifications of known antibiotic scaffolds have kept the upper hand on resistance, but we are on the verge of not having antibiotics for many common infections. Mechanism-based discovery assays reveal novelty, exclude off-target liabilities, and guide lead optimization. For that, we developed a fast and automatable protocol using high-throughput Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIRS). Metabolic fingerprints of Staphylococcus aureus and Escherichia coli exposed to 35 compounds, dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) or water, were acquired. Our data analysis pipeline identified biomarkers of off-target effects, optimized spectral preprocessing, and identified the top-performing machine learning algorithms for off-target liabilities and mechanism of action (MOA) identification. Spectral bands with known biochemical associations more often yielded more significant biomarkers of off-target liabilities when bacteria were exposed to compounds dissolved in water than DMSO. Highly discriminative models distinguished compounds with predominant off-target effects from antibiotics with well-defined MOA (AUROC > 0.87, AUPR > 0.79, F1 > 0.81), and from the latter predicted their MOA (AUROC > 0.88, AUPR > 0.70, F1 > 0.70). The compound solvent did not affect predictive models. FTIRS is fast, simple, inexpensive, automatable, and highly effective at predicting MOA and off-target liabilities. As such, FTIRS mechanism-based screening assays can be applied for hit discovery and to guide lead optimization during the early stages of antibiotic discovery.
ISSN:0006-3592
1097-0290
DOI:10.1002/bit.27915