Rapid in silico directed evolution by a protein language model with EVOLVEpro

生物信息学 计算生物学 计算机科学 合成生物学 人工智能 蛋白质工程 语言模型 机器学习 生物 基因 遗传学 生物化学
作者
Kaiyi Jiang,Zhaoqing Yan,Matteo Di Bernardo,Samantha R. Sgrizzi,Lukas Villiger,Alişan Kayabölen,Byungji Kim,Josephine K. Carscadden,Masahiro Hiraizumi,Hiroshi Nishimasu,Jonathan S. Gootenberg,Omar O. Abudayyeh
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:387 (6732): eadr6006-eadr6006 被引量:185
标识
DOI:10.1126/science.adr6006
摘要

Directed protein evolution is central to biomedical applications but faces challenges such as experimental complexity, inefficient multiproperty optimization, and local maxima traps. Although in silico methods that use protein language models (PLMs) can provide modeled fitness landscape guidance, they struggle to generalize across diverse protein families and map to protein activity. We present EVOLVEpro, a few-shot active learning framework that combines PLMs and regression models to rapidly improve protein activity. EVOLVEpro surpasses current methods, yielding up to 100-fold improvements in desired properties. We demonstrate its effectiveness across six proteins in RNA production, genome editing, and antibody binding applications. These results highlight the advantages of few-shot active learning with minimal experimental data over zero-shot predictions. EVOLVEpro opens new possibilities for artificial intelligence-guided protein engineering in biology and medicine.
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