BioEmu – 微軟推出的生成式深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)

BioEmu是什么

BioEmu是由微軟研究院開(kāi)發(fā)的生成性深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，旨在高效模擬蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及其平衡態(tài)構(gòu)象。該系統(tǒng)能夠在單一GPU上每小時(shí)生成數(shù)千種的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)樣本，其效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬技術(shù)。通過(guò)整合大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、超過(guò)200毫秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)獲得的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，BioEmu可以以約1 kcal/mol的相對(duì)能誤差精確預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的平衡態(tài)構(gòu)象。

BioEmu的主要功能

• 高效生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)：BioEmu在單個(gè)GPU上每小時(shí)能夠創(chuàng)造數(shù)千種統(tǒng)計(jì)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)樣本，大幅提升了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)采樣的效率。
• 模擬蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)變化：該模型能夠定性地模擬多種與功能相關(guān)的構(gòu)象變化，諸如隱蔽口袋的形成、特定區(qū)域的展開(kāi)以及大規(guī)模結(jié)構(gòu)域的重排。
• 預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)熱力學(xué)特性：BioEmu能夠定量預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)象的相對(duì)能，誤差控制在1 kcal/mol以?xún)?nèi)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性高度一致。
• 提供實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證的假設(shè)：通過(guò)同時(shí)模擬結(jié)構(gòu)集合和熱力學(xué)特性，BioEmu能夠揭示蛋白質(zhì)折疊不穩(wěn)定的機(jī)制，從而為實(shí)驗(yàn)研究提供可驗(yàn)證的假設(shè)。
• 支持個(gè)性化醫(yī)療：BioEmu能夠根據(jù)特定的基因序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，為個(gè)性化醫(yī)療和疾病治療提供支持。
• 降低計(jì)算成本：與傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬相比，BioEmu顯著降低了計(jì)算成本，同時(shí)提升了預(yù)測(cè)的精確性。

BioEmu的技術(shù)原理

• 生成式深度學(xué)習(xí)架構(gòu)：BioEmu基于先進(jìn)的生成式深度學(xué)習(xí)模型，結(jié)合AlphaFold的evoformer蛋白質(zhì)序列表示和擴(kuò)散模型，從平衡態(tài)集合中采樣三維結(jié)構(gòu)。在單一GPU上每小時(shí)生成數(shù)千個(gè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)樣本。
• 大規(guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的訓(xùn)練：BioEmu的訓(xùn)練數(shù)據(jù)涵蓋了大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息、超過(guò)200毫秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，模型能夠?qū)W習(xí)蛋白質(zhì)在不同條件下的動(dòng)態(tài)行為和平衡態(tài)分布。
• 定性和定量的模擬能力：從定性角度看，BioEmu能夠模擬多種與功能相關(guān)的構(gòu)象變化，如隱蔽口袋的形成、特定區(qū)域的展開(kāi)和大規(guī)模結(jié)構(gòu)域重排。從定量角度看，BioEmu能以約1 kcal/mol的相對(duì)能誤差預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)象，與毫秒級(jí)的分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的穩(wěn)定性高度一致。
• 同時(shí)模擬結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)：BioEmu能夠生成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)集合，同時(shí)模擬其熱力學(xué)性質(zhì)，如相對(duì)能。這種能力能夠揭示蛋白質(zhì)折疊不穩(wěn)定的原因，為實(shí)驗(yàn)研究提供可驗(yàn)證的假設(shè)。
• 高效采樣與計(jì)算成本降低：與傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬相比，BioEmu顯著提高了采樣效率，降低了計(jì)算成本，成為研究蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)機(jī)制的強(qiáng)大工具。

BioEmu的項(xiàng)目地址

• Github倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/microsoft/bioemu
• HuggingFace模型庫(kù)：https://huggingface.co/microsoft/bioemu
• 技術(shù)論文：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.05.626885v1

BioEmu的應(yīng)用場(chǎng)景

• 科學(xué)研究：BioEmu可用于深入研究蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)機(jī)制，模擬功能相關(guān)的構(gòu)象變化（如隱蔽口袋的形成和結(jié)構(gòu)域重排），并預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。
• 藥物開(kāi)發(fā)：BioEmu能夠預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的功能性構(gòu)象變化，快速生成多種目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化藥物結(jié)合位點(diǎn)的預(yù)測(cè)和篩選。還可基于特定基因序列設(shè)計(jì)個(gè)性化醫(yī)療方案，為疾病提供精準(zhǔn)的治療策略。
• 醫(yī)療應(yīng)用：BioEmu可用于研究與蛋白質(zhì)構(gòu)象異常相關(guān)的疾病機(jī)制（如神經(jīng)退行性疾?。?，開(kāi)發(fā)新型診斷工具，并優(yōu)化治療策略。它能夠模擬治療干預(yù)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響，為臨床決策提供支持。
• 補(bǔ)充傳統(tǒng)方法：BioEmu通過(guò)高效的采樣和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的訓(xùn)練，顯著提升了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬的效率和準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)模擬的不足，為生物醫(yī)學(xué)研究提供強(qiáng)大的計(jì)算支持。

常見(jiàn)問(wèn)題

• BioEmu的計(jì)算要求是什么？：BioEmu在單個(gè)GPU上運(yùn)行，可以在普通的深度學(xué)習(xí)硬件上高效執(zhí)行，適合大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)的計(jì)算環(huán)境。
• 使用BioEmu需要具備哪些背景知識(shí)？：用戶(hù)需具備一定的生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)，尤其是對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和機(jī)器學(xué)習(xí)的基本理解將有助于更好地使用該工具。
• BioEmu能否與其他軟件結(jié)合使用？：是的，BioEmu可以與其他生物信息學(xué)和計(jì)算化學(xué)工具結(jié)合，進(jìn)一步提升蛋白質(zhì)研究的深度和廣度。