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bioRxiv来源发表:

NomadFlow 让多个功能片段各自移动:21 个多组任务中 19 个找到唯一成功设计

核心概要

蛋白质基序支架通常要求基序在序列中的位置和几个刚性片段之间的相对姿态都事先给定,而许多应用两者都没有。NomadFlow 把每个基序组作为条件输入,用组投影精确保持组内几何,并让各组在生成的前半程独立移动,之后固定为条件完成支架。在由 Protpardelle 任务改造的 21 个多组任务上,19 个取得唯一成功;与同一残基集固定为单一刚体的对照相比,成功率中位比为 0.57,而唯一成功数中位比为 1.00。

Source-provided article image: NomadFlow: unindexed multi-motif scaffolding with independently mobile rigid groups
Figure 1 · bioRxiv · 第 4 页

深度剖析

多片段蛋白质设计不再需要事先指定各片段在链上的位置和彼此的相对摆放:模型可以只拿到每个片段自身的几何,自己决定它们如何组合成一条链。 此前的基序支架把基序作为固定结构插入生成链,三维位置和序列位置都预先给定,多个基序之间的相对姿态也常被固定;条件生成路线虽免去序列位置,却通常把基序当作一个整体刚体。 在 21 个多组任务上,每个任务采样 200 个设计,经 ProteinMPNN 与 ESMFold 检验后,19 个任务至少得到一个唯一成功设计;未通过的是 4JHW(移动组无成功设计)和 7K4V_ext2x10(两种设置均为零)。

每个基序组在生成过程中作为一个整体做刚体运动,组内原子间的相对几何不会漂移,因此不需要额外的组内几何惩罚项。 逐残基独立预测的更新若直接施加,会把一个组内部的几何拉散;此前的做法要么把基序整体插入结构,要么依赖惩罚约束。 去噪器对组内每个基序框架分别给出 SE(3) 增量,这些增量先平均成一个共同的刚体变换,再一次性施加到该组所有框架上,训练与采样使用同一投影。

组的姿态由一个位于质心的辅助框架承载,流匹配损失加在它上面,梯度再经平均步骤回到各基序框架的预测。 一个组的姿态只有六个自由度,若按每个基序残基独立运动来学习,学的就不是组实际移动的方式。 该辅助框架不是基序残基,而是以网络已有的框架接口表示组姿态;在采样中,基序残基上的逐残基随机扰动被关闭,改为每组一个共同的 SE(3) 扰动。

选择各组相互摆放与补全支架被时间阈值分开,前半程各组可动,后半程基序固定、只去噪支架。 把摆放和补全放在同一条全局时间轴上会混合两个不同的子问题。 所有报告的运行使用 tlock = 0.5,与微调时一致,即一半轨迹用于摆放基序组,一半用于补全支架。

启示与展望

展示范围是 21 个由单一 PDB 链改造的多组任务,每个任务采样 200 个设计,成功以 ProteinMPNN 重设计后 ESMFold 折叠能否复现各组几何判定;这些任务保证至少存在一种相容布局,并未测试来自不同蛋白质的基序组装,计算上的成功也不代表可表达或具备功能。

作者指出基准设计只是走向分别分析分组粒度与结构环境的第一步,组数与附加片段长度凭直觉选取而非事先校准;成功布局的形状随条件几何强烈变化,5AOU_ext20 与 5AOU_QUAD_ext20 上观察到的低维族只反映该模型在 PMPNN+ESMFold 过滤下的成功集,不能证明任务本身是一维的;由于 MoDiff 与 FADiff 未同时发布代码与训练权重,未做跨模型数值比较,tlock 等单项选择的消融也留待后续。