Computational Protein Design with Deep Learning Neural Networks

计算机科学 人工神经网络 蛋白质设计 深度学习 人工智能 蛋白质结构预测 蛋白质测序 机器学习 蛋白质结构 蛋白质功能预测 蛋白质工程 蛋白质功能 肽序列 生物 基因 生物化学
作者
Jingxue Wang,Huali Cao,John Z. H. Zhang,Yifei Qi
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:134
标识
DOI:10.1038/s41598-018-24760-x
摘要

Computational protein design has a wide variety of applications. Despite its remarkable success, designing a protein for a given structure and function is still a challenging task. On the other hand, the number of solved protein structures is rapidly increasing while the number of unique protein folds has reached a steady number, suggesting more structural information is being accumulated on each fold. Deep learning neural network is a powerful method to learn such big data set and has shown superior performance in many machine learning fields. In this study, we applied the deep learning neural network approach to computational protein design for predicting the probability of 20 natural amino acids on each residue in a protein. A large set of protein structures was collected and a multi-layer neural network was constructed. A number of structural properties were extracted as input features and the best network achieved an accuracy of 38.3%. Using the network output as residue type restraints was able to improve the average sequence identity in designing three natural proteins using Rosetta. Moreover, the predictions from our network show ~3% higher sequence identity than a previous method. Results from this study may benefit further development of computational protein design methods.

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