深度学习驱动的蛋白质设计技术与实践

news2025/1/9 1:27:42

通过设计特定的蛋白质结构,可以实现预期的生物功能,如催化特定化学反应、识别和结合特定分子、调控生物信号传导等,为生物医学、药物研发、生物技术等领域提供重要工具和解决方案。传统的蛋白质设计方法主要依赖于已知蛋白质结构的同源建模、理性设计等技术,这些方法在面对全新功能的蛋白质设计、复杂结构的改造以及大规模高通量设计时存在诸多局限,如设计空间有限、效率低下、成功率不高、难以预测和优化蛋白质的稳定性和功能等。

深度学习技术通过从大量数据中学习特征和模式,能够识别蛋白质序列与结构之间的复杂关系,从而在蛋白质设计中实现从序列到结构的高效预测和生成。深度学习模型可以将蛋白质设计的多个环节,如序列设计、结构预测、优化等整合到一个端到端的流程中,简化操作步骤,提高设计效率和准确性。

Rosetta是一款经典的蛋白质建模和分析软件,其基于物理能量函数和蒙特卡洛搜索算法,能够对蛋白质结构进行精确的预测和优化。Rosetta提供了丰富的模块和工具,如RosettaScripts,为蛋白质设计提供了强大的基础支持。RFdiffusion是一种基于深度学习的蛋白质结构生成技术,它利用扩散模型和自回归生成模型,能够从头生成新颖的蛋白质结构,并且在特定骨架引导设计、活性位点嫁接、对称性设计等方面展现出独特的优势,为蛋白质设计开辟了新的思路和方法。

 

 RFdiffusion 高级应用及领域热点

六、RFdiffusion含活性位点的蛋白质结构设计

核心知识点:使用RFdiffusion构建具有特定生物活性的蛋白质结构

  1. Motifscaffold: inference.input_pdb & contigmap.inpaint_seq:如何整合已知活性位点信息,嫁接到设计的新蛋白质结构上

实例分析:酶活位点嫁接,对称位点嫁接的设计策略与实施

七、蛋白质-蛋白质相互作用界面(PPI):Binder设计

核心知识点:利用·RFdiffusion设计能有效介导蛋白间相互作用的Binder区域。

  1. ppi.hotspots:识别和利用PPI热点信息来定制Binder结构
  2. 设计实例:针对指定骨架和/或特定motif的Binder结构创建

八、RFdiffusion中的对称性设计

核心知识点:阐述如何在蛋白质结构设计中考虑并实现对称性特征。

  1. Inference.symmetry: 对称性建模与控制
  2. potentials:优化对称单元间的能量分布与稳定性

九、多样性

核心知识点:探究RFdiffusion在处理结构多样性上的机制和优势

diffuser.partial_T:局部扩散与全局优化相结合,提高结构多样性和稳健性

RFdiffusion中的noise

ProteinMPNN和LigandMPNN 序列设计与高级应用

十、ProteinMPNN序列设计入门

核心知识点:介绍ProteinMPNN的核心架构与训练过程,掌握ProteinMPNN和LigandMPNN在不同场景下的蛋白质结构序列设计流程

应用案例:

  1. Monomer单体序列设计:用ProteinMPNN针对单体蛋白质进行序列设计
  2. Complex复合物zhong 指定链设计:利用ProteinMPNN在复合物环境下设计特定链的序列,涉及链间相互作用的考虑与优化。
  3. Models, Helper scripts, number of sequences:深入了解模型使用方法、辅助脚本的功能以及决定生成序列数量的因素

十一、指定设计位点与氨基酸偏好性设置

核心知识点:如何运用深度学习工具来精准控制特定氨基酸残基的位置与特性

应用案例:

  1. Fix position与Redesign position:保留某些部位不变(Fix position)和重新设计其他部位(Redesign position)的具体操作。
  2. Bias AA与Omit AA:在设计过程中如何设置氨基酸偏好性,包括优先选择某些氨基酸(Bias AA)和排除特定氨基酸(Omit AA),以满足特定功能需求或生物物理化学特性。

 

 

 

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