Robust deep learning based protein sequence design using ProteinMPNN

蛋白质设计 生物信息学 深度学习 序列(生物学) 蛋白质测序 计算机科学 蛋白质结构预测 计算生物学 人工智能 编码 蛋白质结构 肽序列 算法 生物 遗传学 生物化学 基因
作者
Justas Dauparas,Ivan Anishchenko,Nathaniel R. Bennett,Hua Bai,Robert J. Ragotte,Lukas F. Milles,Basile I. M. Wicky,Alexis Courbet,Robbert J. de Haas,Neville P. Bethel,Philip J. Y. Leung,Timothy F. Huddy,Samuel J. Pellock,Doug Tischer,F. Chan,Brian Koepnick,Hannah Nguyen,Alex Kang,Banumathi Sankaran,Asim K. Bera,N. Paul King,David Baker
标识
DOI:10.1101/2022.06.03.494563
摘要

Abstract While deep learning has revolutionized protein structure prediction, almost all experimentally characterized de novo protein designs have been generated using physically based approaches such as Rosetta. Here we describe a deep learning based protein sequence design method, ProteinMPNN, with outstanding performance in both in silico and experimental tests. The amino acid sequence at different positions can be coupled between single or multiple chains, enabling application to a wide range of current protein design challenges. On native protein backbones, ProteinMPNN has a sequence recovery of 52.4%, compared to 32.9% for Rosetta. Incorporation of noise during training improves sequence recovery on protein structure models, and produces sequences which more robustly encode their structures as assessed using structure prediction algorithms. We demonstrate the broad utility and high accuracy of ProteinMPNN using X-ray crystallography, cryoEM and functional studies by rescuing previously failed designs, made using Rosetta or AlphaFold, of protein monomers, cyclic homo-oligomers, tetrahedral nanoparticles, and target binding proteins. One-sentence summary A deep learning based protein sequence design method is described that is widely applicable to current design challenges and shows outstanding performance in both in silico and experimental tests.
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