Rapid directed evolution guided by protein language models and epistatic interactions

上位性 计算机科学 定向进化 定向分子进化 蛋白质工程 人工智能 序列(生物学) 突变 计算生物学 航程(航空) 突变 蛋白质测序 序列空间 机器学习 蛋白质设计 定向诱变 语言模型 空格(标点符号) 理论计算机科学 蛋白质结构 蛋白质进化 蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质结构域 蛋白质结构预测 基因 蛋白质功能
作者
Vincent Q. Tran,Matthew Nemeth,Liam J. Bartie,Sita S. Chandrasekaran,Alison Fanton,Hyungseok C. Moon,Brian Hie,Silvana Konermann,Patrick D. Hsu
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:392 (6798): eaea1820-eaea1820 被引量:14
标识
DOI:10.1126/science.aea1820
摘要

Protein engineering is limited by the inefficient search through a high-dimensional sequence space to find combinations of synergistic mutations. Traditional approaches use stepwise mutation stacking, whereas machine learning methods require extensive datasets or multiple experimental rounds and are bottlenecked by costly, length-limited gene synthesis. We present MULTI-evolve (where MULTI stands for model-guided, universal, targeted installation of multimutants), a rapid evolution framework that systematically engineers multimutants. Our approach combines protein language models or existing functional data with epistatic modeling to predict synergistic combinations. Proposed multimutants are built through MULTI-assembly, a mutagenesis method enabling high-efficiency assembly across multikilobase sequences. Applying MULTI-evolve to three proteins achieved up to 10-fold improvements with a single round of machine learning-guided directed evolution. MULTI-evolve provides a streamlined approach for end-to-end, multimutant engineering for a broad range of protein types and functions.
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