Predicting equilibrium distributions for molecular systems with deep learning

计算机科学 分子动力学 深度学习 采样(信号处理) 人工智能 统计物理学 生物系统 化学 计算化学 物理 滤波器(信号处理) 计算机视觉 生物
作者
Shuxin Zheng,Jiyan He,Chang Liu,Yu Shi,Ziheng Lu,Weitao Feng,Fusong Ju,Jiaxi Wang,Jianwei Zhu,Yaosen Min,He Zhang,Shidi Tang,Hongxia Hao,Peiran Jin,Chi Chen,Frank Noé,Haiguang Liu,Tie‐Yan Liu
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:6 (5): 558-567 被引量:61
标识
DOI:10.1038/s42256-024-00837-3
摘要

Abstract Advances in deep learning have greatly improved structure prediction of molecules. However, many macroscopic observations that are important for real-world applications are not functions of a single molecular structure but rather determined from the equilibrium distribution of structures. Conventional methods for obtaining these distributions, such as molecular dynamics simulation, are computationally expensive and often intractable. Here we introduce a deep learning framework, called Distributional Graphormer (DiG), in an attempt to predict the equilibrium distribution of molecular systems. Inspired by the annealing process in thermodynamics, DiG uses deep neural networks to transform a simple distribution towards the equilibrium distribution, conditioned on a descriptor of a molecular system such as a chemical graph or a protein sequence. This framework enables the efficient generation of diverse conformations and provides estimations of state densities, orders of magnitude faster than conventional methods. We demonstrate applications of DiG on several molecular tasks, including protein conformation sampling, ligand structure sampling, catalyst–adsorbate sampling and property-guided structure generation. DiG presents a substantial advancement in methodology for statistically understanding molecular systems, opening up new research opportunities in the molecular sciences.
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