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A Multimodal Ensemble Framework for Optimal Mutant Prediction and Computational Enzyme Engineering

计算机科学 计算生物学 排名(信息检索) 蛋白质工程 标杆管理 可扩展性 人工智能 机器学习 生物 过程(计算) 稳健性(进化) 生化工程 上位性 数据挖掘 工程类 突变体 合成生物学
作者
Ding Luo,Huining Ji,Baodong Hu,Jinxing Cai,Kai Wen,Xiaoyang Qu,Mingfeng Cao,Xinrui Zhao,Binju Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (6): e21396-e21396 被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202521396
摘要

Exploring mutational landscape of proteins to engineer improved enzymes remains a fundamental challenge. Traditional methods, whether reliant on high-throughput experimentation, direct evolution, or on computational prediction, often face challenges to effectively model the complex epistatic and long-range interactions that related to protein function. To address this, we present GEMS, a robust framework for enzyme engineering that leverages the ensemble zero-shot capabilities of multiple modalities. By integrating evolutionary, structural, and sequence-based constraints, GEMS effectively models the sequence-structure-function relationship and predicts beneficial variants. Benchmarking against state-of-the-art (SOTA) methods revealed that GEMS achieves competitive performance in ranking beneficial variants, generates highly informative initial variant libraries, highlighting its strength in capturing long-range functional constraints. We rigorously evaluated GEMS on five diverse enzyme engineering cases under both pure enzyme (Caulobacter segniscarotenoid cleavage dioxygenase from Marine gamma proteobacterium (MgpCSO), aldehyde dehydrogenase from Dickeya parazeae (DpADA)) and whole-cell conditions (CYP105A3 from Streptomyces carbophilus (P450 Sca-2), O-methyltransferase 1 from Cnidium monnieri (CmOMT1), prenyltransferase from Pastinaca sativa (PsPT2)). Our results demonstrate that GEMS successfully identifies activity-enhancing mutations, with single variants exhibiting 1.1 to 3.2-fold improvements in catalytic efficiency. Collectively, our findings prove GEMS as a powerful and versatile tool for advanced enzyme engineering.
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