由于标记的分子数量有限，预处理分子表示在药物和材料发现中的应用至关重要，但是大多数现有工作都集中在2D分子图上进行预处理。然而，对3D几何结构进行预处理的力量已经较少探索，因此难以找到足够的代理任务，以增强预训练的能力，从而有效地从几何结构中提取基本特征。由3D分子的动态性质激励，其中3D欧几里得空间中分子的连续运动形成平滑的势能表面，我们提出了一个3D坐标，以降级预处理框架来建模这种能量景观。利用SE（3） - 激烈的得分匹配方法，我们提出了SE（3）-DDM，其中坐标定位代理任务有效地归结为分子中成对原子距离的脱氧。我们的全面实验证实了我们提出的方法的有效性和鲁棒性。

没有标签的预处理分子表示模型是各种应用的基础。常规方法主要是处理2D分子图，并仅专注于2D任务，使其预验证的模型无法表征3D几何形状，因此对于下游3D任务有缺陷。在这项工作中，我们从完整而新颖的意义上处理了3D分子预处理。特别是，我们首先提议采用基于能量的模型作为预处理的骨干，该模型具有实现3D空间对称性的优点。然后，我们为力预测开发了节点级预处理损失，在此过程中，我们进一步利用了Riemann-Gaussian分布，以确保损失为E（3） - 不变，从而实现了更多的稳健性。此外，还利用了图形噪声量表预测任务，以进一步促进最终的性能。我们评估了从两个具有挑战性的3D基准：MD17和QM9的大规模3D数据集GEOM-QM9预测的模型。实验结果支持我们方法对当前最新预处理方法的更好疗效，并验证我们设计的有效性。

自我监督学习（SSL）是一种通过利用数据中固有的监督来学习数据表示的方法。这种学习方法是药物领域的焦点，由于耗时且昂贵的实验，缺乏带注释的数据。使用巨大未标记数据的SSL显示出在分子属性预测方面表现出色的性能，但存在一些问题。 （1）现有的SSL模型是大规模的；在计算资源不足的情况下实现SSL有限制。 （2）在大多数情况下，它们不利用3D结构信息进行分子表示学习。药物的活性与药物分子的结构密切相关。但是，大多数当前模型不使用3D信息或部分使用它。 （3）以前对分子进行对比学习的模型使用置换原子和键的增强。因此，具有不同特征的分子可以在相同的阳性样品中。我们提出了一个新颖的对比学习框架，用于分子属性预测的小规模3D图对比度学习（3DGCL），以解决上述问题。 3DGCL通过不改变药物语义的预训练过程来反映分子的结构来学习分子表示。仅使用1,128个样本用于预训练数据和100万个模型参数，我们在四个回归基准数据集中实现了最先进或可比性的性能。广泛的实验表明，基于化学知识的3D结构信息对于用于财产预测的分子表示学习至关重要。

分子特性预测是与关键现实影响的深度学习的增长最快的应用之一。包括3D分子结构作为学习模型的输入可以提高它们对许多分子任务的性能。但是，此信息是不可行的，可以以几个现实世界应用程序所需的规模计算。我们建议预先训练模型，以推理仅给予其仅为2D分子图的分子的几何形状。使用来自自我监督学习的方法，我们最大化3D汇总向量和图形神经网络（GNN）的表示之间的相互信息，使得它们包含潜在的3D信息。在具有未知几何形状的分子上进行微调期间，GNN仍然产生隐式3D信息，并可以使用它来改善下游任务。我们表明3D预训练为广泛的性质提供了显着的改进，例如八个量子力学性能的22％的平均MAE。此外，可以在不同分子空间中的数据集之间有效地传送所学习的表示。

我们可以将袖珍配体的相互作用知识注入预训练的模型并共同学习其化学空间吗？近年来，预处理的分子和蛋白质引起了很大的关注，而这些方法中的大多数都集中在学习一个化学空间，并且缺乏注射生物学知识。我们提出一个共同监督预告片（COSP）的框架，以同时学习3D口袋和配体表示。我们使用封闭式的几何消息传递层来对3D口袋和配体进行建模，其中每个节点的化学特征，几何位置和方向都被考虑。为了学习生物学有意义的嵌入，我们通过对比度损失将袖珍配体相互作用知识注入预处理模型。考虑到分子的特异性，我们进一步提出了化学相似性增强的负抽样策略，以提高对比度学习绩效。通过广泛的实验，我们得出的结论是，COSP可以在口袋匹配，分子属性预测和虚拟筛选中获得竞争成果。

Generating molecules that bind to specific proteins is an important but challenging task in drug discovery. Previous works usually generate atoms in an auto-regressive way, where element types and 3D coordinates of atoms are generated one by one. However, in real-world molecular systems, the interactions among atoms in an entire molecule are global, leading to the energy function pair-coupled among atoms. With such energy-based consideration, the modeling of probability should be based on joint distributions, rather than sequentially conditional ones. Thus, the unnatural sequentially auto-regressive modeling of molecule generation is likely to violate the physical rules, thus resulting in poor properties of the generated molecules. In this work, a generative diffusion model for molecular 3D structures based on target proteins as contextual constraints is established, at a full-atom level in a non-autoregressive way. Given a designated 3D protein binding site, our model learns the generative process that denoises both element types and 3D coordinates of an entire molecule, with an equivariant network. Experimentally, the proposed method shows competitive performance compared with prevailing works in terms of high affinity with proteins and appropriate molecule sizes as well as other drug properties such as drug-likeness of the generated molecules.

在三维分子结构上运行的计算方法有可能解决生物学和化学的重要问题。特别地，深度神经网络的重视，但它们在生物分子结构域中的广泛采用受到缺乏系统性能基准或统一工具包的限制，用于与分子数据相互作用。为了解决这个问题，我们呈现Atom3D，这是一个新颖的和现有的基准数据集的集合，跨越几个密钥的生物分子。我们为这些任务中的每一个实施多种三维分子学习方法，并表明它们始终如一地提高了基于单维和二维表示的方法的性能。结构的具体选择对于性能至关重要，具有涉及复杂几何形状的任务的三维卷积网络，在需要详细位置信息的系统中表现出良好的图形网络，以及最近开发的设备越多的网络显示出显着承诺。我们的结果表明，许多分子问题符合三维分子学习的增益，并且有可能改善许多仍然过分曝光的任务。为了降低进入并促进现场进一步发展的障碍，我们还提供了一套全面的DataSet处理，模型培训和在我们的开源ATOM3D Python包中的评估工具套件。所有数据集都可以从https://www.atom3d.ai下载。

There is increasing adoption of artificial intelligence in drug discovery. However, existing works use machine learning to mainly utilize the chemical structures of molecules yet ignore the vast textual knowledge available in chemistry. Incorporating textual knowledge enables us to realize new drug design objectives, adapt to text-based instructions, and predict complex biological activities. We present a multi-modal molecule structure-text model, MoleculeSTM, by jointly learning molecule's chemical structures and textual descriptions via a contrastive learning strategy. To train MoleculeSTM, we construct the largest multi-modal dataset to date, namely PubChemSTM, with over 280K chemical structure-text pairs. To demonstrate the effectiveness and utility of MoleculeSTM, we design two challenging zero-shot tasks based on text instructions, including structure-text retrieval and molecule editing. MoleculeSTM possesses two main properties: open vocabulary and compositionality via natural language. In experiments, MoleculeSTM obtains the state-of-the-art generalization ability to novel biochemical concepts across various benchmarks.

3D空间中的空间结构对于确定分子特性是重要的。最近的论文使用几何深度学习来代表分子和预测性质。然而，这些论文在捕获输入原子的远程依赖性时在计算上昂贵;并且尚未考虑外部距离的不均匀性，因此未能学习不同尺度的上下文依赖表示。为了处理这些问题，我们引入了3D变压器，变压器的变型，用于结合3D空间信息的分子表示。 3D变压器在完全连接的图形上运行，在原子之间的直接连接。为了应对外部距离的不均匀性，我们开发了一种多尺度的自我关注模块，利用局部细粒度模式随着越来越多的上下文尺度来利用局部细粒度模式。由于不同尺寸的分子依赖于不同种类的空间特征，我们设计了一种自适应位置编码模块，用于针对小型和大分子采用不同的位置编码方法。最后，为了获得原子嵌入的分子表示，我们提出了一种殷勤最远的点采样算法，该算法在注意分数的帮助下选择一部分原子，克服虚拟节点的障碍和先前的距离 - 优势下采样方法。我们通过三个重要的科学域验证3D变压器：量子化学，物质科学和蛋白质组学。我们的实验表现出对晶体性能预测任务和蛋白质 - 配体结合亲和预测任务的最先进模型的显着改善，并且在量子化学分子数据集中显示了更好或更有竞争的性能。这项工作提供了明确的证据表明，生物化学任务可以从3D分子表示中获得一致的益处，不同的任务需要不同的位置编码方法。

Molecular conformation generation aims to generate three-dimensional coordinates of all the atoms in a molecule and is an important task in bioinformatics and pharmacology. Previous methods usually first predict the interatomic distances, the gradients of interatomic distances or the local structures (e.g., torsion angles) of a molecule, and then reconstruct its 3D conformation. How to directly generate the conformation without the above intermediate values is not fully explored. In this work, we propose a method that directly predicts the coordinates of atoms: (1) the loss function is invariant to roto-translation of coordinates and permutation of symmetric atoms; (2) the newly proposed model adaptively aggregates the bond and atom information and iteratively refines the coordinates of the generated conformation. Our method achieves the best results on GEOM-QM9 and GEOM-Drugs datasets. Further analysis shows that our generated conformations have closer properties (e.g., HOMO-LUMO gap) with the groundtruth conformations. In addition, our method improves molecular docking by providing better initial conformations. All the results demonstrate the effectiveness of our method and the great potential of the direct approach. The code is released at https://github.com/DirectMolecularConfGen/DMCG

分子的产生，尤其是从头开始产生3D分子几何形状（即3D \ textit {de Novo} Generation）已成为药物设计中的一项基本任务。现有的基于扩散的3D分子生成方法可能会遭受性能不令人满意的性能，尤其是在产生大分子时。同时，产生的分子缺乏足够的多样性。本文提出了一个新的扩散模型，以应对这两个挑战。首先，原子关系不在分子的3D点云表示中。因此，现有生成模型很难捕获潜在的原子间力和丰富的局部约束。为了应对这一挑战，我们建议增强潜在的原子间力，并进一步涉及双重模棱两可的编码器，以编码不同强度的原子质力。其次，现有的基于扩散的模型基本上是沿数据密度梯度的几何元素。这样的过程在Langevin动力学的中间步骤中缺乏足够的探索。为了解决这个问题，我们在每个扩散/反向步骤中引入了一个分布控制变量，以实施彻底的探索并进一步改善发电多样性。对多个基准测试的广泛实验表明，所提出的模型明显优于无条件和条件生成任务的现有方法。我们还进行案例研究以帮助了解产生分子的理化特性。

学习有效的蛋白质表示在生物学的各种任务中至关重要，例如预测蛋白质功能或结构。现有的方法通常在大量未标记的氨基酸序列上预先蛋白质语言模型，然后在下游任务中使用一些标记的数据来对模型进行修复。尽管基于序列的方法具有有效性，但尚未探索蛋白质性能预测的已知蛋白质结构的预处理功能，尽管蛋白质结构已知是蛋白质功能的决定因素，但尚未探索。在本文中，我们建议根据其3D结构预处理蛋白质。我们首先提出一个简单而有效的编码器，以学习蛋白质的几何特征。我们通过利用多视图对比学习和不同的自我预测任务来预先蛋白质图编码器。对功能预测和折叠分类任务的实验结果表明，我们提出的预处理方法表现优于或与最新的基于最新的序列方法相提并论，同时使用较少的数据。我们的实施可在https://github.com/deepgraphlearning/gearnet上获得。

分子模拟的粗粒度（CG）通过将选定的原子分组为伪珠并大幅加速模拟来简化粒子的表示。但是，这种CG程序会导致信息损失，从而使准确的背景映射，即从CG坐标恢复细粒度（FG）坐标，这是一个长期存在的挑战。受生成模型和e象网络的最新进展的启发，我们提出了一个新型模型，该模型严格嵌入了背态转换的重要概率性质和几何一致性要求。我们的模型将FG的不确定性编码为不变的潜在空间，并通过Equivariant卷积将其解码为FG几何形状。为了标准化该领域的评估，我们根据分子动力学轨迹提供了三个综合基准。实验表明，我们的方法始终恢复更现实的结构，并以显着的边距胜过现有的数据驱动方法。

Geometric deep learning has recently achieved great success in non-Euclidean domains, and learning on 3D structures of large biomolecules is emerging as a distinct research area. However, its efficacy is largely constrained due to the limited quantity of structural data. Meanwhile, protein language models trained on substantial 1D sequences have shown burgeoning capabilities with scale in a broad range of applications. Nevertheless, no preceding studies consider combining these different protein modalities to promote the representation power of geometric neural networks. To address this gap, we make the foremost step to integrate the knowledge learned by well-trained protein language models into several state-of-the-art geometric networks. Experiments are evaluated on a variety of protein representation learning benchmarks, including protein-protein interface prediction, model quality assessment, protein-protein rigid-body docking, and binding affinity prediction, leading to an overall improvement of 20% over baselines and the new state-of-the-art performance. Strong evidence indicates that the incorporation of protein language models' knowledge enhances geometric networks' capacity by a significant margin and can be generalized to complex tasks.

In this work, we propose MEDICO, a Multi-viEw Deep generative model for molecule generation, structural optimization, and the SARS-CoV-2 Inhibitor disCOvery. To the best of our knowledge, MEDICO is the first-of-this-kind graph generative model that can generate molecular graphs similar to the structure of targeted molecules, with a multi-view representation learning framework to sufficiently and adaptively learn comprehensive structural semantics from targeted molecular topology and geometry. We show that our MEDICO significantly outperforms the state-of-the-art methods in generating valid, unique, and novel molecules under benchmarking comparisons. In particular, we showcase the multi-view deep learning model enables us to generate not only the molecules structurally similar to the targeted molecules but also the molecules with desired chemical properties, demonstrating the strong capability of our model in exploring the chemical space deeply. Moreover, case study results on targeted molecule generation for the SARS-CoV-2 main protease (Mpro) show that by integrating molecule docking into our model as chemical priori, we successfully generate new small molecules with desired drug-like properties for the Mpro, potentially accelerating the de novo design of Covid-19 drugs. Further, we apply MEDICO to the structural optimization of three well-known Mpro inhibitors (N3, 11a, and GC376) and achieve ~88% improvement in their binding affinity to Mpro, demonstrating the application value of our model for the development of therapeutics for SARS-CoV-2 infection.

这项工作引入了3D分子生成的扩散模型，该模型与欧几里得转化一样。我们的e（3）e象扩散模型（EDM）学会了通过均衡网络的扩散过程，该网络共同在连续（原子坐标）和分类特征（原子类型）上共同运行。此外，我们提供了一种概率分析，该分析使用我们的模型接受了分子的可能性计算。在实验上，所提出的方法显着优于先前关于生成样品质量和训练时效率的3D分子生成方法。

使用图神经网络（GNN）提取分子的信息表示，对于AI驱动的药物发现至关重要。最近，图形研究界一直在试图复制自然语言处理预处理的成功，并获得了一些成功。但是，我们发现在许多情况下，自我监督预审计对分子数据的益处可以忽略不计。我们对GNN预处理的关键组成部分进行了彻底的消融研究，包括预处理目标，数据拆分方法，输入特征，预处理数据集量表和GNN体系结构，以决定下游任务的准确性。我们的第一个重要发现是，在许多情况下，自我监督的图表预处理没有统计学上的显着优势。其次，尽管可以通过额外的监督预处理可以观察到改进，但通过更丰富或更平衡的数据拆分，改进可能会减少。第三，实验性超参数对下游任务的准确性具有更大的影响，而不是训练训练的任务。我们假设对分子进行预训练的复杂性不足，从而导致下游任务的可转移知识较低。

分子表示学习（MRL）是建立机器学习与化学科学之间联系的关键步骤。特别是，它将分子编码为保留分子结构和特征的数值向量，在其上可以执行下游任务（例如，属性预测）。最近，MRL取得了相当大的进步，尤其是在基于深的分子图学习方法中。在这项调查中，我们系统地回顾了这些基于图的分子表示技术。具体而言，我们首先介绍2D和3D图分子数据集的数据和功能。然后，我们总结了专门为MRL设计的方法，并将其分为四种策略。此外，我们讨论了MRL支持的一些典型化学应用。为了促进该快速发展领域的研究，我们还列出了论文中的基准和常用数据集。最后，我们分享我们对未来研究方向的想法。

Molecular dynamics (MD) has long been the de facto choice for simulating complex atomistic systems from first principles. Recently deep learning models become a popular way to accelerate MD. Notwithstanding, existing models depend on intermediate variables such as the potential energy or force fields to update atomic positions, which requires additional computations to perform back-propagation. To waive this requirement, we propose a novel model called DiffMD by directly estimating the gradient of the log density of molecular conformations. DiffMD relies on a score-based denoising diffusion generative model that perturbs the molecular structure with a conditional noise depending on atomic accelerations and treats conformations at previous timeframes as the prior distribution for sampling. Another challenge of modeling such a conformation generation process is that a molecule is kinetic instead of static, which no prior works have strictly studied. To solve this challenge, we propose an equivariant geometric Transformer as the score function in the diffusion process to calculate corresponding gradients. It incorporates the directions and velocities of atomic motions via 3D spherical Fourier-Bessel representations. With multiple architectural improvements, we outperform state-of-the-art baselines on MD17 and isomers of C7O2H10 datasets. This work contributes to accelerating material and drug discovery.

基于合并和处理对称信息的神经网络架构的几何深度学习（GDL）已经成为人工智能最近的范式。GDL在分子建模应用中具有特定的承诺，其中存在具有不同对称性和抽象水平的各种分子表示。本综述提供了分子GDL的结构化和协调概述，突出了其在药物发现，化学合成预测和量子化学中的应用。重点是学习的分子特征的相关性及其对成熟的分子描述符的互补性。本综述概述了当前的挑战和机会，并提出了用于分子科学GDL的未来的预测。