Ein Meilenstein in der Proteinmodellierung: DPLM-2 – Ein multimodales Diffusionsmodell für Proteine

Proteine, die essenziellen Bausteine des Lebens, stellen Wissenschaftler und Informatiker gleichermaßen vor Herausforderungen. Die Entschlüsselung ihrer komplexen Strukturen und Funktionen ist essenziell für Fortschritte in der Medizin, Biotechnologie und Materialwissenschaft. Ein neues multimodales Modell namens DPLM-2, das von einem Forschungsteam von ByteDance und der Nanjing University entwickelt wurde, verspricht nun, die Art und Weise, wie wir Proteine verstehen und generieren, grundlegend zu verändern.

Die Herausforderung der multi-modalen Proteinmodellierung

Bisherige Ansätze in der generativen Proteinmodellierung konzentrierten sich meist auf einzelne Modalitäten, also entweder auf die Aminosäuresequenz oder die dreidimensionale Struktur. Diese Trennung hemmt jedoch das Verständnis der komplexen Beziehung zwischen Sequenz, Struktur und Funktion. DPLM-2 hingegen verfolgt einen multi-modalen Ansatz, der Proteinsequenzen und -strukturen gleichzeitig erfasst und generiert.

DPLM-2: Ein neuer Ansatz mit vielversprechendem Potenzial

DPLM-2 basiert auf dem Konzept des diskreten Diffusionsmodells (DPLM), erweitert dieses aber um die Fähigkeit, sowohl Sequenz- als auch Strukturinformationen zu verarbeiten. Dies wird durch eine neuartige Tokenisierungstechnik ermöglicht, die 3D-Koordinaten in diskrete Tokens umwandelt, die von dem Sprachmodell verarbeitet werden können. Durch das Training mit experimentellen und hochwertigen synthetischen Strukturdaten lernt DPLM-2 die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung von Sequenz und Struktur sowie deren Randverteilungen und bedingte Wahrscheinlichkeiten.

Schlüsselinnovationen: Tokenisierung, Warm-up-Strategie und Self-Mixup-Training

Drei Schlüsselinnovationen machen DPLM-2 besonders leistungsfähig:

• Die Verwendung einer Lookup-Free Quantization (LFQ) zur Tokenisierung von 3D-Strukturen ermöglicht es dem Sprachmodell, Strukturinformationen effizient zu erlernen.
• Eine effiziente Warm-up-Strategie nutzt die Verbindung zwischen evolutionären Daten und strukturellen Informationen aus vortrainierten sequenzbasierten Proteinsprachmodellen.
• Ein Self-Mixup-Training reduziert das Problem des Exposure Bias in diskreten Diffusionsmodellen und verbessert die Qualität und Diversität der generierten Sequenzen.

Beeindruckende Ergebnisse: Von der Co-Generierung bis zur Strukturvorhersage

DPLM-2 zeigt in verschiedenen Aufgaben beeindruckende Ergebnisse. Es kann:

• Kompatible Aminosäuresequenzen und 3D-Strukturen gleichzeitig generieren (Co-Generierung).
• Strukturvorhersagen auf Basis von Aminosäuresequenzen durchführen (Faltung).
• Aminosäuresequenzen für vorgegebene 3D-Strukturen generieren (inverse Faltung).
• Proteine mit spezifischen strukturellen und funktionellen Eigenschaften generieren (Scaffolding).
• Strukturbewusste Repräsentationen für Proteinsequenzen erstellen, die für Vorhersageaufgaben genutzt werden können.

Ausblick: DPLM-2 als Grundlage für zukünftige Innovationen

DPLM-2 stellt einen bedeutenden Schritt in der Proteinmodellierung dar. Es ebnet den Weg für neue Anwendungen in der Medizin, Biotechnologie und Materialwissenschaft. Die Fähigkeit, Proteine mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu generieren, eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Medikamenten, Enzymen und Biomaterialien. Zukünftige Forschungsarbeiten könnten sich auf die Skalierung des Modells, die Integration weiterer Datenmodalitäten und die Erforschung neuer Anwendungsfelder konzentrieren.

Bibliographie

* https://arxiv.org/abs/2410.13782 * https://arxiv.org/html/2410.13782v1 * https://openreview.net/pdf/69d89601dca3d4b62637d50e76874ab5007e198d.pdf * https://twitter.com/gm8xx8/status/1847127623362580967 * https://www.aimodels.fyi/papers/arxiv/dplm-2-multimodal-diffusion-protein-language-model * https://github.com/bytedance/dplm * https://huggingface.co/papers * https://openreview.net/pdf/38c7073abf10f2aa8147ec5cb085074bbbe3e8ed.pdf * https://twitter.com/BiologyAIDaily/status/1847142977455772133 * https://www.researchgate.net/publication/359413453_Learning_functional_properties_of_proteins_with_language_models