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RFD4-Proteina:Baker 团队与 NVIDIA 联手,发布新一代生物分子设计模型

从共享化学潜空间到推理时搜索,RFD4-Proteina 把序列、结构与分子环境联动设计。但计算通过率、实验功能和药物制造,仍是三道不同的门槛。

10 月 21 日,华盛顿大学发布消息:David Baker 团队与 NVIDIA 联合开发的 RFD4-Proteina 已开放代码和模型权重。但这次发布的看点,藏在一组更具体的问题里:蛋白该用什么序列、折成什么形状,又该如何适配周围的分子?

研究团队把这些问题放进同一套生成流程,实验涵盖结合蛋白、糖链屏蔽和酶催化。关键变化,是让化学身份、三维构象与设计约束在生成中相互调整。 但证据也有边界:目前公开的是未经同行评审的预印本,尚不能把这些案例写成普遍能力。

共享潜空间容纳多类生物分子
氨基酸、糖与核苷酸进入共享潜空间;散点为降维展示(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)
01

先让不同分子说上同一种语言

可以把模型的表示想成一套共同的零件编码:既记录零件在哪里,也记录它是什么、如何弯折。标准与修饰氨基酸、糖、核苷酸,被编码为锚原子坐标和 32 维潜向量。 但其他分子成分仍保留显式原子与连接关系,并非万物都被压成同一种残基。

随后,生成网络同时更新位置与潜向量,解码出分子身份和原子构象。训练还引入 Rosetta 能量监督,约束重建几何。 但低能量只是计算模型下的合理性信号;潜空间覆盖 DNA、RNA,也不能直接推导出任意核酸都已能可靠从头设计。

生成网络与复杂分子约束
循环更新网络,以及含金属离子和肽—DNA 连接的设计约束示例(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)

这套系统的“推理”,更像反复校准零件,再检查装配是否合格。内部推理是在去噪步骤中循环细化预测。 但它不输出语言模型式的思维链;研究者需要为不同任务安排计算预算,把更多更新放在关键阶段。

外部推理则像沿途设检查站:先看接触面积,再看氢键,随后检查结构预测置信度,及时放弃偏离目标的轨迹。计算预算开始用于修正和筛选生成路径。 但论文也报告,简单任务或目标很晚才显现的任务,搜索收益可能抵不过额外开销。

递归细化与分阶段搜索
分阶段目标、轨迹剪枝,以及增加循环次数后的计算指标变化(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)
02

更高的通过率,先问分母是什么

论文比较了蛋白结合、小分子结合、酶活性位点支架和 DNA 结合四类任务。蛋白结合的高预算设置,聚类通过率为 10.6%,BindCraft 为 5.9%。 但这里统计的是通过计算筛选的不同结构簇,不能读成每百次设计就有十余个实验命中。

评估先用 AlphaFold 3 重预测,再检查结构一致性与任务要求;每个靶标进行 200 次尝试,失败也计入分母。生成吞吐量与包含重预测的有效产出,是两种口径。 但把二者混写,就会把某一生成环节的提速,夸大成整条流程等比例加速。

10.6%
RFD4-Proteina
高预算聚类通过率
5.9%
BindCraft
同基准聚类通过率
200
每个靶标尝试数
失败计入分母
蛋白结合基准
蛋白结合基准;横轴为生成吞吐,右侧另列包含重预测的通过结构簇产出(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)

“多想一会儿”也有代价。蛋白结合从低预算切到高预算,聚类通过率从 7.7% 升至 10.6%,生成吞吐却从每 GPU 小时 2,388 个降至 986 个。 但增加计算仍可能值得:问题在于每次尝试更可靠,还是单位预算拿到更多有效候选。

另一条增益来自允许分子一起调整姿势。小分子结合任务中,配体构象可变时的聚类通过率为 14.3%,固定时为 8.1%。 但这仍是该基准上的计算结果。它支持的是“口袋与配体联动优化”这一策略,尚不等于真实结合已被验证。

小分子结合基准
小分子结合基准,比较计算通过率、靶标覆盖与吞吐量;固定/可变构象对照另见论文补充材料(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)
03

真正难的,是只认对的那一个

实验首先检验“什么时候结合”。钙调蛋白会随钙离子状态改变构象,18 个设计中,12 个在有钙时表观亲和力低于 1 μM,无钙时未检测到结合。 但这个结果只支持所测条件下的状态依赖识别,不能据此推定细胞内行为。

肽—MHC 任务则要求识别目标肽,同时避开相似组合。团队在所测面板中观察到超过 100 倍的目标偏好。 但酵母展示与四聚体染色带有多价效应,图中的表观结合数值不能直接当作游离单价分子的平衡亲和力。

状态依赖与肽—MHC 识别
钙依赖结合与肽—MHC 实验;69 pM 估值受解离拟合下限影响,pMHC 数值为含多价效应的表观半最大浓度(图源:RFD4-Proteina 预印本及官网说明,CC BY 4.0)

模型还面对没有固定形状的无序肽段。针对所测 YAP1 与 Tau 表位,最强设计的 SPR 亲和力分别为 112 pM 和 527 pM。 但高亲和力只是第一关;交叉测试中,各设计区分目标与非目标的程度仍有差异。

在人 TrkA 的无额外特异性约束设计中,188 个设计有 158 个达到亚微摩尔结合。 但这个命中率属于特定设计活动;图中不同历史活动的结果,也不能当成统一条件下的前瞻对照,更不能外推为整个靶点空间的成功率。

无序肽与 Trk 识别
无序肽结合、Trk 跨物种识别与实验命中;右下比较来自不同设计活动(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)

蛋白表面还有糖链这类会被细胞继续加工的结构。团队设计局部屏蔽,9 个设计中有 8 个在已占据位点保留超过 90% 的寡甘露糖。 但这是对糖链组成的控制证据,尚不能把潜在疫苗应用写成已经验证的免疫效果。

对磷酸化修饰,团队获得了识别组蛋白 H3 pS10 与 pT11 的结合蛋白,并测试相邻位点的区分能力。设计开始瞄准同一条肽的不同化学状态。 但展示实验中的响应中点与平衡解离常数不同,跨案例比较仍需核对测量方法。

糖链与磷酸化状态设计
糖链屏蔽与相邻磷酸化位点识别;下方滴定数值为表观响应中点(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)
04

从结合到催化,还要跨过制造门槛

酶设计把问题推得更远:原子不仅要摆得像,还得完成反应。磷酸三酯酶筛选中,288 个受测设计有 89 个显示活性。 但新活动采用八残基活性位点,早期比较对象采用六残基;改进不能简单归结为只换了一个模型。

最佳设计的催化效率 kcat/KM 达到 3,600 ± 500 M⁻¹·s⁻¹,早期六残基设计最高为 4 ± 3 M⁻¹·s⁻¹。 但不同活性位点与筛选流程共同影响结果。更复杂的化学约束已有实验支撑,能力边界仍需逐个任务确认。

设计酶的活性与动力学
活性酶结构、筛选曲线与催化效率;新旧设计的活性位点方案不同(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)

更贴近制造的案例,是 lenacapavir 合成中的一步酰胺成键。67 个设计中,4 个出现高于背景的目标成键;最佳设计对 S 型胺的终点转化率为 79.0%,对 R 型为 8.8%。 但作者完成的是单步骤概念验证,并未完成整条药物合成工艺。

这组转化率来自 30°C、16 小时的分析规模实验,胺与酶浓度分别为 0.5 mM、50 μM。单步反应成立,与工业制造成立之间,仍隔着放大与经济性验证。 但它提出了值得追踪的问题:从头设计能否进一步降低酶用量,并在更高底物浓度下保持选择性?

药物合成步骤的连接酶
lenacapavir 合成单步骤的连接酶、色谱和终点转化测量;不代表全合成或工业产率(图源:RFD4-Proteina 预印本,原论文面板裁剪,CC BY 4.0)
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代码能下载,版本也要对齐

对准备上手的研究者,官方代码与公开模型权重均采用 BSD 3-Clause 许可,并提供生成、搜索与评估入口。但可选第三方结构预测组件和训练数据仍有各自条款,主模型的宽松许可不会自动覆盖整条工具链。

版本同样影响复现。截至核验时,NVIDIA NIM 1.0 文档明确使用预发布检查点,与当前公开模型不同。但相同名称容易掩盖差异;比较结果时,需要同时记录代码版本、权重、采样配置和所用评估工具。

公开权重许可页面
公开权重仓库的 BSD 3-Clause 许可页面;许可范围仍需结合模型卡中的第三方条款说明(图源:NVIDIA Hugging Face,网页截图)

RFD4-Proteina 已把更多化学细节带入可实验检验的设计流程。但更大的考验,仍是独立团队能否在新靶点、新反应和固定预算下重复这些收益。 当候选生成更容易,下一道瓶颈会落在实验筛选,还是我们用来定义“好设计”的指标上?