ProLLaMA: A Protein Large Language Model for Multitask Protein Language Processing

计算机科学 任务(项目管理) 自然语言处理 人工智能 工程类 系统工程
作者
Liuzhenghao Lv,Zongying Lin,Hao Li,Yuyang Liu,Jiaxi Cui,Calvin Yu‐Chian Chen,Li Yuan,Yonghong Tian
出处
期刊:IEEE transactions on artificial intelligence [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:7 (2): 642-653 被引量:17
标识
DOI:10.1109/tai.2025.3564914
摘要

Recent advances in Protein Language Models (PLMs) have transformed protein engineering, yet unlike their counterparts in Natural Language Processing (NLP), current PLMs exhibit a fundamental limitation: they excel in either Protein Language Understanding (PLU) or Protein Language Generation (PLG), but rarely both. This fragmentation hinders progress in protein engineering. To bridge this gap, we introduce ProLLaMA, a multitask protein language model enhanced by the Evolutionary Protein Generation Framework (EPGF). We construct a comprehensive instruction dataset containing approximately 13 million samples with over 11,000 superfamily annotations to facilitate better modeling of sequence-function landscapes. We leverage a two-stage training approach to develop ProLLaMA, a multitask LLM with protein domain expertise. Our EPGF addresses the mismatch between statistic language modeling and biological constraints through three innovations: a multi-dimensional interpretable scorer, hierarchical efficient decoding, and a probabilistic-biophysical joint selection mechanism. Extensive experiments demonstrate that ProLLaMA excels in both unconditional and controllable protein generation tasks, achieving superior structural quality metrics compared to existing PLMs. Additionally, ProLLaMA demonstrates strong understanding capabilities with a 67.1% exact match rate in superfamily prediction. EPGF significantly enhances the biological viability of generated sequences, as evidenced by improved biophysical scores (+4.3%) and structural metrics (+14.5%).
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