当前位置:

首页 > 业界资讯 > 进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

进化产生了多种功能蛋白,可以精确调节细胞过程。近年来出现了深度生成模型,旨在从这种多样性中学习,生成既有效又新颖的蛋白质,最终目标是定制功能以解决当今突出的挑战。当涉及到在计算机上创造新的蛋白质时,深度生成模型正成为越来越强大的工具。扩散模型是一类生成模型,最近被证明可以生成生理上合理的蛋白质,与自然界中看到的任何实际蛋白质不同,它可以在从头蛋白质设计中提供无与伦比的能力和控制然而,当前最先进的模型构建蛋白质结构,这严重限制了其训练数据的广度,并将代限制在蛋白质设计空间的微小且有偏差的部分。微软研究人员开

本文目录

    进化产生了多种功能蛋白,可以精确调节细胞过程。近年来出现了深度生成模型,旨在从这种多样性中学习,生成既有效又新颖的蛋白质,最终目标是定制功能以解决当今突出的挑战。

    当涉及到在计算机上创造新的蛋白质时,深度生成模型正成为越来越强大的工具。扩散模型是一类生成模型,最近被证明可以生成生理上合理的蛋白质,与自然界中看到的任何实际蛋白质不同,它可以在从头蛋白质设计中提供无与伦比的能力和控制

    然而,当前最先进的模型构建蛋白质结构,这严重限制了其训练数据的广度,并将代限制在蛋白质设计空间的微小且有偏差的部分。

    微软研究人员开发了 EvoDiff——一种通用扩散框架,通过将进化规模数据与扩散模型的独特调节能力相结合,可以在序列空间中创建可调节的蛋白质。EvoDiff 可以使结构合理的蛋白质多样化,涵盖所有可能的序列和功能。EvoDiff 可以构建基于结构的模型无法访问的蛋白质,例如那些具有无序部分的蛋白质,同时能够为有用的结构基序设计支架,这一事实证明了基于序列的公式的普遍性。

    在蛋白质序列进化中,EvoDiff 是第一个展示扩散生成模型功效的深度学习框架。

    EvoDiff 的共同作者、微软高级研究员 Ava Amini 表示:“从 EvoDiff 中我们可以学到的一点是,我们可以并且应该通过序列来生成蛋白质,因为我们能够实现通用性、规模化和模块化。我们的扩散框架使我们有能力做到这一点,并且可以控制我们如何设计这些蛋白质以满足特定的功能目标。”

    EvoDiff 的另一位共同作者 Kevin K. Yang 表示,「我们设想 EvoDiff 将扩展蛋白质工程的能力,超越结构-功能范式,转向可编程、序列优先的设计,通过 EvoDiff,我们证明我们实际上可能不需要结构,而是『蛋白质序列就是你所需要的』来可控地设计新蛋白质。」

    该研究以《Protein generation with evolutionary diffusion: sequence is all you need》为题,发布在 bioRxiv 预印平台上。

    进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

    GitHub 地址:https://github.com/microsoft/evodiff

    论文链接:https://doi.org/10.1101/2023.09.11.556673

    6.4 亿个参数

    EvoDiff 框架的核心是一个包含 6.4 亿个参数的模型,该模型根据来自所有不同物种和蛋白质功能类别的数据进行训练。训练模型的数据来源于用于序列比对的 OpenFold 数据集 UniRef50,UniProt 数据的子集,UniProt 联盟维护的蛋白质序列和功能信息数据库。

    Uniref50是一个包含约4200万个蛋白质序列的数据集。其中的MSA来自OpenFold数据集,包括1600万个UniClust30集群和401,381个MSA,涵盖了140,000个不同的PDB链。关于IDR的信息来自反向同源GitHub

    EvoDiff  的主要特征

    EvoDiff的主要特征如下:

    • 为了生成可管理的蛋白质序列,EvoDiff 将进化规模数据与扩散模型相结合。
    • EvoDiff 可以使结构合理的蛋白质多样化,涵盖所有可能的序列和功能。
    • 除了生成具有无序部分和基于结构的模型无法获得的其他特征的蛋白质外,EvoDiff 还可以生成功能性结构基序的支架,证明了基于序列的配方的普遍适用性。

    EvoDiff 是一种新颖的生成建模系统,用于仅从序列数据创建可编程蛋白质,该系统是通过将进化规模数据集与扩散模型相结合而开发的。其使用离散扩散框架,其中正向过程通过改变其氨基酸特性来迭代地破坏蛋白质序列,并且由神经网络参数化的学习反向过程利用自然框架来预测每次迭代时所做的变化。蛋白质作为氨基酸语言上离散标记的序列。

    进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

    图 1:EvoDiff,用于仅从序列数据进行可控蛋白质设计。(引自论文)

    可以使用反向方法从头开始创建蛋白质序列。与蛋白质结构设计中传统使用的连续扩散公式相比,EvoDiff 中使用的离散扩散公式在数学上取得了显著的改进。多重序列比对 (MSA) 突出显示相关蛋白质组的氨基酸序列的保守模式和变异,从而捕获单个蛋白质序列进化规模数据集之外的进化联系。为了利用这种额外深度的进化信息,他们构建了在 MSA 上训练的离散扩散模型,以产生新颖的单一序列

    在序列空间中创建可调节的蛋白质

    为了证明可调蛋白质设计的有效性,研究人员对一系列生成活动的谱进行了序列和 MSA 模型的检查(分别为 EvoDiff-Seq 和 EvoDiff-MSA)

    他们首先证明了EvoDiff-Seq能够可靠地产生高质量、多样化的蛋白质,准确地反映自然界蛋白质的组成和功能。EvoDiff-MSA通过比对具有相似但独特进化历史的蛋白质来引导新序列的开发。最后,他们表明EvoDiff可以可靠地生成具有IDR的蛋白质,直接克服基于结构的生成模型的关键限制,并且可以通过利用基于扩散的建模框架的调节功能,在没有任何明确结构信息的情况下成功生成功能结构基序的支架

    进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

    图 2:EvoDiff-MSA 支持进化引导序列生成。(来源:论文)

    为了生成具有基于序列限制条件调节的多样化新蛋白质,研究人员提出了一种名为EvoDiff的扩散建模框架。通过挑战基于结构的蛋白质设计范式,EvoDiff可以通过从序列数据生成本质上无序的区域和支架结构基序,无条件地采样结构合理的蛋白质多样性

    通过引导进行调节,创建的序列可以迭代地调整以满足所需的质量,可以在未来的研究中添加到这些功能中。EvoDiff-D3PM 框架很适合通过指导进行条件调节,因为序列中每个残基的身份都可以在每个解码步骤中进行编辑。

    然而,研究人员观察到,OADM 在无条件生成方面通常优于 D3PM,这可能是因为 OADM 去噪任务比 D3PM 更容易学习。不幸的是,OADM 和其他现有的条件 LRAR 模型(如 ProGen)降低了指导的有效性。预计新的蛋白质序列将通过调节 EvoDiff-D3PM 的功能目标(例如序列功能分类器描述的目标)来生成。

    EvoDiff 数据要求极低

    EvoDiff 的数据要求极低,这意味着它可以轻松适应后续用途,而这只有通过基于结构的方法才能实现。研究人员表明,EvoDiff 可以通过修复来创建 IDR,无需微调,从而避免了基于结构的预测和生成模型的经典陷阱。

    进化扩散驱动下的蛋白质生成:微软发布开源AI框架EvoDiff

    图 3:EvoDiff 生成本质上无序的区域。(来源:论文)

    使用AlphaFold和相关算法可以预测许多序列的结构,但在点突变方面存在困难,并且可能过于自信地指示虚假蛋白质的结构。然而,由于获取大型测序数据集结构的高昂成本,研究人员可能会受到限制,无法使用新的生物、医学或科学设计选项。为了解锁这些选项,可以通过在特定于应用程序的数据集上微调EvoDiff来进行。这些特定于应用程序的数据集可以来自显示库或大型屏幕的数据集

    下一步计划

    总之,微软科学家发布了一套离散扩散模型,可用于进行基于序列的蛋白质工程和设计。可以扩展 EvoDiff 模型以进行基于结构或功能的引导设计,并且它们可以立即用于无条件、进化引导和条件创建蛋白质序列。他们希望通过直接用蛋白质语言读取和写入过程,EvoDiff 将为可编程蛋白质创造开辟新的可能性。

    「这只是一个包含 6.4 亿参数的模型,如果我们扩展到数十亿个参数,我们可能会看到生成质量的提高,」Alamdari 说道。「虽然我们演示了一些粗粒度的策略,但为了实现更细粒度的控制,我们希望根据文本、化学信息或其他方式来调节 EvoDiff 来指定所需的功能。」

    EvoDiff团队计划在下一步中,对实验室生成的蛋白质进行测试,以确定其可行性。如果测试结果证明可行,他们将开始开发下一代框架

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    业界资讯 微软
    相关文章 更多
    微软推出Project Zenith:面向Windows 11开发者的AI硬件加速方案
    微软推出Project Zenith:面向Windows 11开发者的AI硬件加速方案

    微软于9月5日推出Project Zenith,旨在为Windows 11开发者提供更高效的AI开发体验。该项目目前仅支持配备超过64GB统一内存及250GB/s内存带宽的特定硬件,首发适配AMD Ryzen AI Halo设备。通过此项目,开发者可在本地运行参数超过300亿的AI模型,后续将分阶段扩展至更多合作伙伴设备。

    微软再遭噩梦!黑帽研究员连发两枚零日漏洞:Defender成突破口
    微软再遭噩梦!黑帽研究员连发两枚零日漏洞:Defender成突破口

    匿名黑客“夜行星球”连续披露两枚严重Windows零日漏洞:RoguePlanet利用Defender竞争条件实现本地权限提升,GreatXML可完全绕过BitLocker加密。微软尚未发布安全补丁,目前无大规模利用迹象,但实际威胁较大,需进一步评估与密切关注。

    微软DirectX高级着色器交付正式商用,全平台加速游戏
    微软DirectX高级着色器交付正式商用,全平台加速游戏

    微软DirectX高级着色器交付功能正式商用,整合进XboxPC应用。支持Windows1124H2及以上系统及AMD全系RDNA显卡。以《极限竞速:地平线6》为例,加载时间从90秒缩至4秒,并减少画面卡顿。已适配多款游戏,未来将扩展更多设备。

    微软 XBOX《使命召唤》游戏核心工作室换帅:22 年 Treyarch 负责人马克 · 戈登退休
    微软 XBOX《使命召唤》游戏核心工作室换帅:22 年 Treyarch 负责人马克 · 戈登退休

    动视旗下Treyarch工作室长达22年的负责人马克·戈登宣布了退休,他曾主导《使命召唤:战争世界》以及《黑色行动》系列开发。凯文·亨德里克森与耶尔·米勒正式出任联席工作室负责人,两位共同接替其后续工作。

    鲍尔默曾嘲讽Chrome只是数据误差!17年过去Edge市占仅5%
    鲍尔默曾嘲讽Chrome只是数据误差!17年过去Edge市占仅5%

    在2009年,微软CEO鲍尔默曾经嘲讽Chrome为“舍入误差”。十七年之后,Chrome以百分之七十点二五的份额统治浏览器市场,而微软Edge却仅占百分之五点一四。IE已于二零二四年退场,Edge即便基于Chromium重构也始终未能突破个位数份额。

    皮查伊回忆Chrome崛起之路:曾被鲍尔默轻视,靠快速迭代终成霸主
    皮查伊回忆Chrome崛起之路:曾被鲍尔默轻视,靠快速迭代终成霸主

    二〇〇八年谷歌浏览器问世,遭微软首席执行官鲍尔默轻视。皮查伊率团队每六周迭代快速进化,二〇一二年超越所有对手成全球最广泛浏览器,此胜巩固其内部声望并铺就升任首席执行官之路。

    从
    从"Token竞赛"到"Token节流":月人均成本7500美元,天价账单倒逼巨头集体踩刹车

    企业AI支出从鼓励Token消耗转向严格管控,AT&T、Meta、Uber等巨头纷纷限制AI使用权限。成本压力是主因,高使用强度企业月人均AI支出达7500美元。这一转变催生了AI成本监控与优化工具的需求,微软、Databricks等公司迎来增长机会。

    微软 Win11 多个通道更新预览版:提升文件管理器稳定性
    微软 Win11 多个通道更新预览版:提升文件管理器稳定性

    微软发布Windows11多个通道预览版更新,系统进入26H2分支。深色模式下文件管理器复制对话框统一深色模式及稳定性提升,安装应用后应用无需重启即可在开始菜单显示。任务栏图标截断问题获修复,虚拟机与游戏蓝屏错误得到解决。

    微软研究团队打造
    微软研究团队打造"智能副驾":让电子表格自动帮你完成下一步操作

    微软研究团队构建了含52条表格制作轨迹的数据集,提出在线评估框架,测试多种模型。结果显示,GPT-5-R可节省32.7%操作,微调后小模型性能接近大模型;频繁触发预测、适度接受策略效果更优,上下文窗口128步后收益递减。

    微软第 12 代 Surface Pro / 第 8 代 Surface Laptop 新增 8GB 内存版 849 美元起
    微软第 12 代 Surface Pro / 第 8 代 Surface Laptop 新增 8GB 内存版 849 美元起

    微软近日为第十二代SurfacePro和第八代SurfaceLaptop新增八GB内存版本,其起售价分别为八百四十九美元和九百四十九美元,硬盘均配备了二百五十六GB固态硬盘。这两款新品不属于Copilot+PC产品线,原有的十六GB版本则继续销售。

    查看更多
    精品专题 更多
    装机必备
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows
    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程
    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版
    macOS

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版
    Windows

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。