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Evolution‐Inspired Multi‐Objective Bayesian Optimization for Protein Engineering

初始化 蛋白质工程 计算机科学 序列(生物学) 贝叶斯概率 模块化设计 领域(数学分析) 多序列比对 稳健性(进化) 水准点(测量) 数学优化 人工智能 计算生物学 算法 全局优化 数学 迭代法 蛋白质测序 概率逻辑 格式化 缩小 贝叶斯优化 分拆(数论) 冗余(工程) 化学 二进制数 最优化问题 工程类 标杆管理 序列比对 机器学习 数据挖掘 优化算法
作者
Kai Wen,Sirui Wang,Yixin Sun,Shiwen Li,Mengsong Wang,Haoyang Liu,Quanshun Li,Jingxuan Zhu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.4133117
摘要

ABSTRACT Protein engineering requires efficient navigation of vast sequence spaces under limited evaluation budgets, especially when multiple properties must be optimized simultaneously. We developed evolution‐inspired multi‐objective Bayesian optimization (EvoMOBO), an active‐learning framework that integrates path‐dependent sequence generation, global candidate competition, and explicit multi‐objective optimization, enabling efficient prioritization of high‐value variants without exhaustive library enumeration. Compared with state‐of‐the‐art methods on complete steroid receptor DNA‐binding domain (DBD) and ParD3 antitoxin landscapes, EvoMOBO achieved greater target‐region enrichment while maintaining sequence diversity across two‐ and three‐objective tasks. In the DBD landscape, optimization guided by simulation‐derived geometric descriptors enriched variants with satisfactory experimental performance without experimental labels. Building on this validation, we applied EvoMOBO to two enzyme‐engineering tasks using mechanistic descriptors, with experiments reserved for final validation. For an old yellow enzyme from Geobacillus kaustophilus , probabilities of substrate binding and reaction preorganization guided optimization of a non‐native oxidative dehydrogenation, yielding a variant that increased substrate conversion from 17.5% to 95%. For a formate oxidase from Aspergillus oryzae , stability‐related descriptors identified aggregation‐resistant variants that nearly doubled diethyl phthalate degradation in a photoenzymatic cascade. Together, these results demonstrate robust multi‐objective optimization by EvoMOBO and show that mechanism‐derived descriptors can effectively guide protein engineering toward experimentally improved functions.
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