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Enregistrement W3203669164 · doi:10.1101/2021.05.05.442729

XENet: Using a new graph convolution to accelerate the timeline for protein design on quantum computers

2021· preprint· en· W3203669164 sur OpenAlexaff
Jack B. Maguire, Daniele Grattarola, Eugene Klyshko, Vikram Khipple Mulligan, Hans Melo

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2021
Typepreprint
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueProtein Structure and Dynamics
Établissements canadiensUniversity of Toronto
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésComputer scienceGraphTheoretical computer scienceOracleArtificial intelligenceSoftware engineering

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Graph representations are traditionally used to represent protein structures in sequence design protocols where the folding pattern is known. This infrequently extends to machine learning projects: existing graph convolution algorithms have shortcomings when representing protein environments. One reason for this is the lack of emphasis on edge attributes during massage-passing operations. Another reason is the traditionally shallow nature of graph neural network architectures. Here we introduce an improved message-passing operation that is better equipped to model local kinematics problems such as protein design. Our approach, XENet, pays special attention to both incoming and outgoing edge attributes. We compare XENet against existing graph convolutions in an attempt to decrease rotamer sample counts in Rosetta’s rotamer substitution protocol. This use case is motivating because it allows larger protein design problems to fit onto near-term quantum computers. XENet outperformed competing models while also displaying a greater tolerance for deeper architectures. We found that XENet was able to decrease rotamer counts by 40% without loss in quality. This decreased the problem size of our use case by more than a factor of 3. Additionally, XENet displayed an ability to handle deeper architectures than competing convolutions. Author summary Graphs data structures are ubiquitous in the field of protein design and are at the core of the recent advances in artificial intelligence brought forth by graph neural networks (GNNs). GNNs have led to some impressive results in modeling protein interactions, but are not as common as other tensor representations. Most GNN architectures tend to put little to no emphasis on the information stored on edges; however, protein modeling tools often use edges to represent vital geometric relationships about residue pair interactions. In this paper, we show that a more advanced processing of edge attributes can lead to considerable benefits when modeling chemical data. We introduce XENet, a new member of the GNN family that is shown to have improved ability to model protein residue environments based on chemical and geometric data. We use XENet to intelligently simplify the optimization problem that is solved when designing proteins. This task is important to us and others because it allows larger proteins to be designed on near-term quantum computers. We show that XENet is able to train on our protein modeling data better than existing methods, successfully resulting in a dramatic decrease in protein design sample space with no loss in quality.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,026

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0080,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,025
Tête enseignante GPT0,244
Écart entre enseignants0,218 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations2
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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