CatIF-RL: Activity-Oriented Enzyme Sequence Design by Steered Inverse Protein Folding

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作者
Yanheng Li,Jialong Xiong,Yuxin Zhang,Tong Cai,Chuan Fu,Shutong Li,Wei Xu,Ruoyi Lyu,Zhaoyang Chen,Zheng Guo,Xinqi Gong,Feng Wang
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
标识
DOI:10.64898/2026.05.11.724288
摘要

Abstract Protein inverse folding models are designed to generate amino acid sequences compatible with a given backbone structure, but they are not explicitly optimized for specific biological functions. Here, we present CatIF-RL, a framework that steers a graph-based denoising diffusion inverse folding model toward designing enzyme variants with enhanced catalytic activity. CatIF-RL first adapts the inverse folding model to enzyme structural data, then introduces activity-oriented preference signals using predicted catalytic constant ( k cat ) as the optimization objective, enabling specialization through generative dataset curation and group-relative policy optimization (GRPO). This process iteratively shifts the sequence distribution toward higher predicted k cat while constraining sequence divergence to sequences that remain compatible with the input structure. On the independent benchmark, CatIF-RL achieves an approximately four-fold increase in predicted k cat relative to native enzymes, substantially outperforming representative inverse folding methods, while maintaining sequence recovery (0.55) and structural fidelity, and supporting motif-preserving partial sequence design. CatIF-RL establishes a practical framework for activity-oriented enzyme design and provides a generalizable strategy for steering structure-conditioned protein generation toward functional optimization.
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