Unveiling the structural features that regulate carbapenem deacylation in KPC-2 through QM/MM and interpretable machine learning

文献情報

出版日 2022-12-06
DOI 10.1039/D2CP03724F
インパクトファクター 3.676
著者

Chao Yin, Zilin Song, Hao Tian, Timothy Palzkill, Peng Tao


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要旨

Resistance to carbapenem β-lactams presents major clinical and economical challenges for the treatment of pathogen infections. The fast hydrolysis of carbapenems by carbapenemase-producing bacterial strains enables the effective deactivation of carbapenem antibiotics. In this study, we aim to unravel the structural features that distinguish the notable deacylation activity of carbapenemases. The deacylation reactions between imipenem (IPM) and the KPC-2 class A serine-based β-lactamases (ASβLs) are modeled with combined quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) minimum energy pathway (MEP) calculations and interpretable machine-learning (ML) methods. We first applied a dual-level computational protocol to achieve fast sampling of QM/MM MEPs. A tree-based ensemble ML model was employed to learn the MEP activation barriers from the conformational features of the KPC-2/IPM active site. The barrier-predicting model was then unboxed using the Shapley additive explanation (SHAP) importance attribution methods to derive mechanistic insights, which were also verified by additional QM/MM wavefunction analysis. Essentially, we show that potential hydrogen bonding interactions of the general base and the tautomerization states of the carbapenem pyrroline ring could concertedly regulate the activation barrier of KPC-2/IPM deacylation. Nonetheless, we demonstrate the efficacy of interpretable ML to assist the analysis of QM/MM simulation data for robust extraction of human-interpretable mechanistic insights.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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