gRNAde: Geometric Deep Learning for 3D RNA inverse design

反向 计算机科学 人工智能 数学 几何学
作者
Chaitanya K. Joshi,Arian R. Jamasb,Ramón Viñas,Charles B. Harris,Simon V. Mathis,Alex Morehead,Rishabh Anand,Píetro Lió
标识
DOI:10.1101/2024.03.31.587283
摘要

Abstract Computational RNA design tasks are often posed as inverse problems, where sequences are designed based on adopting a single desired secondary structure without considering 3D conformational diversity. We introduce gRNAde , a g eometric RNA de sign pipeline operating on 3D RNA backbones to design sequences that explicitly account for structure and dynamics. gRNAde uses a multi-state Graph Neural Network and autoregressive decoding to generates candidate RNA sequences conditioned on one or more 3D backbone structures where the identities of the bases are unknown. On a single-state fixed backbone re-design benchmark of 14 RNA structures from the PDB identified by Das et al. (2010), gRNAde obtains higher native sequence recovery rates (56% on average) compared to Rosetta (45% on average), taking under a second to produce designs compared to the reported hours for Rosetta. We further demonstrate the utility of gRNAde on a new benchmark of multi-state design for structurally flexible RNAs, as well as zero-shot ranking of mutational fitness landscapes in a retrospective analysis of a recent ribozyme. Experimental wet lab validation on 10 different structured RNA backbones finds that gRNAde has a success rate of 50% at designing pseudoknotted RNA structures, a significant advance over 35% for Rosetta. Open source code and tutorials are available at: github.com/chaitjo/geometric-rna-design

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