展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

来自清华大学AIR、北京大学、南京大学的研究团队提出了ESM-AA模型。该模型在蛋白质语言建模领域取得了重要进展,提供了一套整合多尺度信息的统一建模方案。它是首个能同时处理氨基酸信息和原子信息的蛋白质预训练语言模型。模型的出色性能展示了多尺度统一建模在克服现有局限和解锁新能力方面的巨大潜力。作为基座模型,ESM-AA获得了多位学者的关注与广泛讨论(截图见下方),被认为有潜力基于ESM-AA开发出可与AlphaFold3、RoseTTAFoldAll-Atom相竞争的模型,为研究不同生物结构间的相互作用开辟

本文目录

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    来自清华大学AIR、北京大学、南京大学的研究团队提出了 ESM-AA 模型。该模型在蛋白质语言建模领域取得了重要进展,提供了一套整合多尺度信息的统一建模方案。

    它是首个能同时处理氨基酸信息和原子信息的蛋白质预训练语言模型。模型的出色性能展示了多尺度统一建模在克服现有局限和解锁新能力方面的巨大潜力。

    作为基座模型,ESM-AA 获得了多位学者的关注与广泛讨论(截图见下方),被认为有潜力基于 ESM-AA 开发出可与 AlphaFold3、RoseTTAFold All-Atom 相竞争的模型,为研究不同生物结构间的相互作用开辟了新的道路。当前论文已被 ICML 2024 录⽤。

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    研究背景

    蛋白质是各种生命活动的关键执行者。深入理解蛋白质及其与其他生物结构的相互作用是生物科学中的核心议题,这对靶向药物筛选、酶工程等领域具有显著的实际意义。

    因此,如何更好地理解与建模蛋白质也成为了目前 AI4Science 领域的一个研究热点。

    近日来,包括 Deepmind、华盛顿大学 Baker 组在内的各大前沿研究机构也针对蛋白质全原子建模问题展开了深入研究,提出了包括 AlphaFold 3、RoseTTAFold All-Atom 等针对蛋白质以及其他生命活动相关分子的全原子尺度建模模型,可以在很高的精度下实现对蛋白质结构、分子结构以及受体-配体结构等全原子尺度的精确预测。

    虽然这些模型对于全原子尺度的结构建模取得了重大进展,目前主流的蛋白语言模型仍然无法实现全原子尺度的蛋白质理解与表示学习。

    多尺度,下一代蛋白质模型的「必经之路」

    以 ESM-2为代表的蛋白质表示学习模型,它们以氨基酸作为构建模型的唯一尺度,这对于专注于处理蛋白质的情境而言是一种合理的方法。

    然而,要全面理解蛋白质的本质,关键在于阐述它们与其他生物结构(如小分子、DNA、RNA 等)之间的相互作用。

    面对这种需求,需要描述不同结构间复杂的相互作用,单一尺度的建模策略难以提供有效的全面覆盖。

    为了克服这一缺陷,蛋白质模型正在经历一场向多尺度模型转变的深刻革新。例如,5月初发表在《Science》杂志上的 RoseTTAFold All-Atom 模型,作为 RoseTTAFold 的后续产品,引入了多尺度概念。

    这一模型不仅仅局限于蛋白质结构预测,还拓展到了蛋白质与分子/核酸的对接、蛋白翻译后修饰等更广泛的研究领域。

    同时,DeepMind 最新发布的 AlphaFold3 也采用了多尺度建模策略,支持预测多种蛋白复合物的结构,其表现令人瞩目,无疑将对人工智能和生物学领域产生重大影响。

    ESM All-Atom,多尺度的蛋白质语言模型基座

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 1:ESM-AA 模型的整体架构

    RoseTTAFold All-Atom 和 AlphaFold3 对多尺度概念的成功应用启发了一个重要思考,即:作为蛋白质基座模型的蛋白语言模型应如何采纳多尺度技术。基于此,该团队提出了多尺度蛋白质语言模型 ESM All-Atom(ESM-AA)。

    简要来说,ESM-AA 通过将部分氨基酸「展开」(Unzip)为对应的原子组成引入了多尺度概念。随后,通过混合蛋白数据与分子数据进行预训练,这使得模型具备了同时处理不同尺度生物结构的能力。

    此外,为了帮助模型更好地学习优质的原子尺度信息,ESM-AA 还会利用原子尺度的分子结构数据进行训练。而且通过引入图 2 所示的多尺度位置编码机制,ESM-AA 模型可以很好地对不同尺度的信息进行区分,确保模型能够精确理解残基层面与原子层面的位置与结构信息。

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 2:多尺度位置编码

    多尺度预训练目标

    为了帮助模型学习多尺度信息,该团队为 ESM-AA 模型设计了多种预训练目标。ESM-AA 的多尺度预训练目标包括掩码语言建模(MLM)和成对距离恢复(PDR)。如图 3(a) 所示,MLM 通过遮盖氨基酸和原子,要求模型根据周围的上下文进行预测,这一训练任务可以在氨基酸和原子两个尺度上进行。而 PDR 则要求模型准确预测不同原子之间的欧几里得距离,以训练模型理解原子级的结构信息(如图 3(b) 所示)。

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 3:多尺度预训练任务

    实验验证

    性能评估

    ESM-AA 模型在多种蛋白-小分子基准任务上进行微调和评估,包括酶-底物亲和力回归任务(结果展示于图 4)、酶-底物对分类任务(结果展示于图 4)和药物-靶标亲和力回归任务(结果展示于图 5)。

    结果显示,ESM-AA 在这些任务中优于之前的模型,表明其在氨基酸和原子尺度上充分发挥了蛋白质预训练语言模型的潜力。

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 4:酶-底物亲和力回归任务以及酶-底物对分类任务性能比较

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 5:药物-靶标亲和力回归任务性能比较

    此外,ESM-AA 模型也在蛋白质接触预测、蛋白功能分类以及分子性质预测等任务上测试了性能。

    结果显示,在处理仅涉及蛋白质的任务时,ESM-AA 的表现与 ESM-2 相当;在分子任务上,ESM-AA 模型的性能优于大多数基准模型,与 Uni-Mol 的表现相近。

    这表明,ESM-AA 在获取强大分子知识的过程中并未牺牲对蛋白质的理解能力,也进一步说明了 ESM-AA 模型成功复用了 ESM-2 模型的知识,而无需被从头开始重新开发,显著降低了模型训练成本。

    可视化分析

    为了进一步分析 ESM-AA 在蛋白-小分子基准任务上表现优异的原因,该论文展示了 ESM-AA 模型以及 ESM-2+Uni-Mol 模型组合在该任务中抽取的样本表征分布的可视化结果。

    如图 6 所示,ESM-AA 模型所学习的蛋白和小分子表示之间更为紧凑,这预示着两者处于同一表示空间,这是 ESM-AA 模型优于 ESM-2+Uni-Mol 模型的原因,进一步说明了多尺度统一分子建模的优势。

    清华AIR等提出ESM-AA,首个从氨基酸到原子尺度的蛋白质语言模型

    图 6:蛋白/分子表示的可视化分析

    结语

    清华 AIR 团队开发的 ESM-AA 是首个融合氨基酸与原子信息处理的蛋白质预训练语言模型。模型通过整合多尺度信息,展现出稳健且卓越的性能,为解决生物结构间相互作用难题提供了新途径。

    ESM-AA不仅促进了对蛋白质更深层次的理解,还在多项生物分子任务中表现出色,证明了其在保持蛋白质理解能力的同时可以有效融合分子层面知识,降低了模型训练的成本,为 AI 辅助的生物科学研究开辟了新方向。

    论文标题:ESM All-Atom: Multi-Scale Protein Language Model for Unified Molecular Modeling

    Github开源地址:https://github.com/zhengkangjie/ESM-AA
    论文链接:https://arxiv.org/abs/2403.12995
    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 理论
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    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

    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

    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。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    Adobe Acrobat Pro macOS版
    Adobe Acrobat Pro macOS版

    Adobe Acrobat Pro 是面向办公、法务、财务、教育及出版用户的专业PDF处理软件,可在Mac上创建、编辑、转换、合并和保护文档,并提供OCR文字识别、表单、批注、内容比较、敏感信息遮盖及电子签名功能。

    Blender
    Blender

    Blender 是一款免费开源、跨平台的专业 3D 创作软件,集建模、动画、渲染、视频编辑与视觉合成等功能于一体,广泛应用于影视动画、游戏设计和建筑可视化等领域。软件支持 Cycles 物理渲染器与 Eevee 实时渲染引擎,并提供多边形建模、骨骼绑定、物理模拟等专业工具。Blender 兼容 Windows、macOS 和 Linux 系统,安装包轻巧、运行流畅,依托活跃的全球开发者社区持续更新,是从初学者到专业创作者都值得选择的正版 3D 创作工具。

    Shapr3D macOS版
    Shapr3D macOS版

    Shapr3D是一款面向工业设计、机械工程、建筑概念和三维打印工作流的CAD软件。Mac版采用Parasolid建模内核,支持草图约束、实体建模、工程图、可视化渲染及常见CAD格式交换,并可通过账户在多台设备之间同步项目。

    Adobe Illustrator macOS版
    Adobe Illustrator macOS版

    Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件,适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形,并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。

    Adobe InDesign macOS版
    Adobe InDesign macOS版

    Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件,可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。

    Affinity Designer macOS版
    Affinity Designer macOS版

    Affinity Designer 的矢量设计能力现已整合进 Affinity by Canva,可在 Mac 上进行标志、图标、插画、界面原型及印刷品设计。个人用户使用免费 Canva 账户即可使用完整的矢量、像素和版面工具。

    Archicad macOS版
    Archicad macOS版

    Archicad是Graphisoft推出的建筑信息模型设计软件,可在Mac上完成概念设计、参数化建模、图纸编制、工程量统计、渲染展示及团队协同。模型与平立剖面、明细表和布局保持关联,适合建筑师、室内设计师、BIM团队及相关专业学生使用。

    AutoCAD LT macOS版
    AutoCAD LT macOS版

    AutoCAD LT是Autodesk推出的专业二维CAD设计与文档编制软件,Mac版本提供原生界面、多点触控及分屏查看体验。用户可精确创建和编辑DWG图形,完成图层管理、尺寸标注、表格、PDF参考、外部参照及打印输出。

    AutoCAD macOS版
    AutoCAD macOS版

    AutoCAD for Mac 是 Autodesk 面向 macOS 提供的专业计算机辅助设计软件,支持精确的二维绘图、标注、布局输出以及实体、曲面和网格建模。软件采用适配 Mac 操作习惯的界面,可处理 DWG 图纸。

    Autodesk Fusion macOS版
    Autodesk Fusion macOS版

    Autodesk Fusion 是面向产品设计与制造的一体化云连接平台,在 Mac 上提供参数化建模、自由曲面、装配、工程图、仿真、PCB 设计和 CAM 加工等工具。它适合机械工程师、工业设计师、创客及制造团队使用。

    Autodesk Maya macOS版
    Autodesk Maya macOS版

    Autodesk Maya是一套面向影视动画、游戏开发和视觉特效制作的专业三维创作软件,集多边形与曲面建模、角色绑定、关键帧动画、动力学模拟、程序化特效及Arnold渲染于一体,并提供脚本、插件和开放式制作管线支持。

    Blender macOS版
    Blender macOS版

    Blender是一款免费开源的综合三维创作软件,可在Mac上完成建模、数字雕刻、材质制作、角色绑定、动画、物理模拟、渲染、合成及视频剪辑。软件提供Cycles与Eevee渲染工具,并支持几何节点、蜡笔绘制和Python扩展。

    WINDOWS 更多
    AutoCAD Windows版
    AutoCAD Windows版

    AutoCAD 是 Autodesk 推出的专业计算机辅助设计软件,Windows 版支持精确二维绘图、三维实体与曲面建模、图纸标注、布局发布和任务自动化,并包含多套行业专业化工具组合,适用于建筑、机械、电气、工程建设及制造设计人员。

    Adobe Acrobat Pro Windows版
    Adobe Acrobat Pro Windows版

    Adobe Acrobat Pro 是面向专业 PDF 工作的综合解决方案,可在 Windows 中创建、编辑、转换、比较、整理和保护文档,并支持表单、电子签名、扫描件文字识别及敏感信息永久遮盖。订阅还包含网页、移动服务和云端协作能力,

    Blender
    Blender

    Blender 是一款免费开源、跨平台的专业 3D 创作软件,集建模、动画、渲染、视频编辑与视觉合成等功能于一体,广泛应用于影视动画、游戏设计和建筑可视化等领域。软件支持 Cycles 物理渲染器与 Eevee 实时渲染引擎,并提供多边形建模、骨骼绑定、物理模拟等专业工具。Blender 兼容 Windows、macOS 和 Linux 系统,安装包轻巧、运行流畅,依托活跃的全球开发者社区持续更新,是从初学者到专业创作者都值得选择的正版 3D 创作工具。

    3dmax(3ds max)
    3dmax(3ds max)

    Autodesk 3ds Max 是一款专业的三维建模、动画与渲染软件,广泛应用于建筑可视化、游戏开发、影视动画、广告设计和产品展示等领域。

    Adobe InDesign Windows版
    Adobe InDesign Windows版

    Adobe InDesign 是面向印刷与数字出版的专业页面排版工具,可制作书籍、杂志、宣传册、海报、交互式 PDF 和电子书。它提供精细的文字样式、多页面管理、印前检查及多格式输出能力,并能与 Photoshop、Illustrator

    Adobe Illustrator Windows版
    Adobe Illustrator Windows版

    Adobe Illustrator 是用于绘制矢量图形、插画、图标、徽标和版式的专业设计工具。它以路径和锚点为核心,作品放大后仍能保持清晰,并提供画板、文字、渐变、图像描摹及精确变换等功能,适合品牌视觉、印刷物料、数字界面和商业插画创作。

    Figma Windows版
    Figma Windows版

    Figma 是面向产品设计与开发团队的云端协作平台,可在 Windows 桌面客户端中完成界面绘制、组件管理、交互原型、评论评审和开发交付。文件保存在云端,多名成员能够同步编辑并共享设计系统;官方同时提供免费 Starter 方案及按席位计

    Affinity Designer Windows版
    Affinity Designer Windows版

    Affinity Designer 是面向矢量图形、数字插画和界面设计的专业创作工具,可在矢量、像素与导出工作区之间快速切换。它提供曲线编辑、形状构建、画板、排版、图层和专业色彩管理,并支持常见设计文件的导入及多种印刷、网页格式输出。

    Cinema 4D Windows版
    Cinema 4D Windows版

    Cinema 4D是Maxon推出的专业三维创作软件,将建模、动画、MoGraph动态图形、粒子与动力学模拟、材质灯光及Redshift渲染整合在统一工作环境中,适用于广告包装、影视特效、产品和建筑可视化、游戏素材等制作场景。

    Blender Windows版
    Blender Windows版

    Blender 是免费开源的三维创作套件,在 Windows 上提供建模、雕刻、材质、动画、物理模拟、合成、跟踪、视频剪辑及 Cycles、EEVEE 渲染工具。它适合个人创作者、学生和小型工作室,

    Autodesk Maya Windows版
    Autodesk Maya Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    SketchUp Pro Windows版
    SketchUp Pro Windows版

    SketchUp Pro 是面向建筑、室内、景观、施工和产品设计等专业场景的三维建模工具,提供桌面建模、LayOut 二维文档、模型资源库、扩展程序及云端协作能力。其操作逻辑直观,适合从概念推敲、空间规划到图纸表达和方案汇报的完整工作流程。