論文の概要: EMOCPD: Efficient Attention-based Models for Computational Protein Design Using Amino Acid Microenvironment

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.21069v2
• Date: Tue, 29 Oct 2024 05:45:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-30 13:41:29.905788
• Title: EMOCPD: Efficient Attention-based Models for Computational Protein Design Using Amino Acid Microenvironment
• Title（参考訳）: EMOCPD:アミノ酸マイクロ環境を用いた計算タンパク質設計のための効率的な注意モデル
• Authors: Xiaoqi Ling, Cheng Cai, Demin Kong, Zhisheng Wei, Jing Wu, Lei Wang, Zhaohong Deng,
• Abstract要約: アミノ酸マイクロ環境(EMOCPD)を用いた効率的なタンパク質設計モデルの構築 アミノ酸を取り巻く3次元の原子環境を分析してタンパク質内の各アミノ酸のカテゴリを予測し、予測された高確率アミノ酸カテゴリに基づいてタンパク質を最適化することを目的としている。 トレーニングセットでは80%以上の精度、独立した2つのテストセットでは68.33%と62.32%の精度を実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.661662081290265
• License:
• Abstract: Computational protein design (CPD) refers to the use of computational methods to design proteins. Traditional methods relying on energy functions and heuristic algorithms for sequence design are inefficient and do not meet the demands of the big data era in biomolecules, with their accuracy limited by the energy functions and search algorithms. Existing deep learning methods are constrained by the learning capabilities of the networks, failing to extract effective information from sparse protein structures, which limits the accuracy of protein design. To address these shortcomings, we developed an Efficient attention-based Models for Computational Protein Design using amino acid microenvironment (EMOCPD). It aims to predict the category of each amino acid in a protein by analyzing the three-dimensional atomic environment surrounding the amino acids, and optimize the protein based on the predicted high-probability potential amino acid categories. EMOCPD employs a multi-head attention mechanism to focus on important features in the sparse protein microenvironment and utilizes an inverse residual structure to optimize the network architecture. The proposed EMOCPD achieves over 80% accuracy on the training set and 68.33% and 62.32% accuracy on two independent test sets, respectively, surpassing the best comparative methods by over 10%. In protein design, the thermal stability and protein expression of the predicted mutants from EMOCPD show significant improvements compared to the wild type, effectively validating EMOCPD's potential in designing superior proteins. Furthermore, the predictions of EMOCPD are influenced positively, negatively, or have minimal impact based on the content of the 20 amino acids, categorizing amino acids as positive, negative, or neutral. Research findings indicate that EMOCPD is more suitable for designing proteins with lower contents of negative amino acids.
• Abstract（参考訳）: CPD(Computational protein design)は、タンパク質を設計するための計算手法である。 伝統的手法では、エネルギー関数とヒューリスティックアルゴリズムは非効率であり、その精度はエネルギー関数と探索アルゴリズムによって制限されるが、生物分子のビッグデータ時代の要求に合致しない。 既存のディープラーニング手法は、ネットワークの学習能力に制約され、スパースタンパク質構造から効果的な情報を抽出できないため、タンパク質設計の精度が制限される。 これらの欠点に対処するために,アミノ酸マイクロ環境(EMOCPD)を用いた効率的な注目型タンパク質設計モデルを開発した。 アミノ酸を取り巻く3次元の原子環境を分析してタンパク質内の各アミノ酸のカテゴリを予測し、予測された高確率アミノ酸カテゴリに基づいてタンパク質を最適化することを目的としている。 EMOCPDは、スパースタンパク質のミクロ環境における重要な特徴に焦点をあてるマルチヘッドアテンション機構を採用し、ネットワークアーキテクチャを最適化するために逆残基構造を利用する。 提案したEMOCPDは、トレーニングセットで80%以上、独立した2つのテストセットで68.33%と62.32%の精度を達成し、最高の比較手法を10%以上上回っている。 タンパク質設計において、EMOCPDの予測された変異体の熱安定性とタンパク質発現は野生型と比較して著しく改善され、優れたタンパク質を設計するEMOCPDの可能性が効果的に検証された。 さらに、EMOCPDの予測は、正、負、または、20アミノ酸の含有量に基づいて最小限の影響を受け、アミノ酸を正、負、中性と分類する。 EMOCPDは、負のアミノ酸の含有量が低いタンパク質を設計するのにより適していることが示された。

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