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Tailored structured peptide design with a key-cutting machine approach

钥匙(锁) 计算机科学 功能(生物学) 数据驱动 生成语法 模板 绘图 合成生物学 生成设计 人工智能 工程类 计算生物学 生物 计算机安全 进化生物学 运营管理 计算机图形学(图像) 公制(单位) 程序设计语言
作者
Yan Carlos Leyva,Marcelo D. T. Torres,Carlos A. Oliva,César de la Fuente‐Núñez,Carlos A. Brizuela
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s42256-025-01119-2
摘要

Abstract Computational protein and peptide design is emerging as a transformative framework for engineering macromolecules with precise structures and functions, offering innovative solutions in medicine, biotechnology and materials science. However, current methods predominantly rely on generative models, which are expensive to train and modify. Here, we introduce the Key-Cutting Machine (KCM), an optimization-based platform that iteratively leverages structure prediction to match desired backbone geometries. KCM requires only a single graphics processing unit and enables seamless incorporation of user-defined requirements into the objective function, circumventing the high retraining costs typical of generative models while allowing straightforward assessment of measurable properties. By employing an estimation of distribution algorithm, KCM optimizes sequences on the basis of geometric, physicochemical and energetic criteria. We benchmarked its performance on α-helices, β-sheets, a combination of both and unstructured regions, demonstrating precise backbone geometry design. As a proof of concept, we applied KCM to antimicrobial peptide design by using a template antimicrobial peptide as the ‘key’, yielding a candidate with potent in vitro activity against multiple bacterial strains and efficacy in a murine infection model. KCM thus emerges as a robust tool for de novo protein and peptide design, offering a flexible paradigm for replicating and extending the structure–function relationships of existing templates.
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