Accurate determination of a small molecule candidate (ligand) binding pose in its target protein pocket is important for computer-aided drug discovery. Typical rigid-body docking methods ignore the pocket flexibility of protein, while the more accurate pose generation using molecular dynamics is hindered by slow protein dynamics. We develop a tiered tensor transform (3T) algorithm to rapidly generate diverse protein-ligand complex conformations for both pose and affinity estimation in drug screening, requiring neither machine learning training nor lengthy dynamics computation, while maintaining both coarse-grain-like coordinated protein dynamics and atomistic-level details of the complex pocket. The 3T conformation structures we generate are closer to experimental co-crystal structures than those generated by docking software, and more importantly achieve significantly higher accuracy in active ligand classification than traditional ensemble docking using hundreds of experimental protein conformations. 3T structure transformation is decoupled from the system physics, making future usage in other computational scientific domains possible.

A generalized understanding of protein dynamics is an unsolved scientific problem, the solution of which is critical to the interpretation of the structure-function relationships that govern essential biological processes. Here, we approach this problem by constructing coarse-grained molecular potentials based on artificial neural networks and grounded in statistical mechanics. For training, we build a unique dataset of unbiased all-atom molecular dynamics simulations of approximately 9 ms for twelve different proteins with multiple secondary structure arrangements. The coarse-grained models are capable of accelerating the dynamics by more than three orders of magnitude while preserving the thermodynamics of the systems. Coarse-grained simulations identify relevant structural states in the ensemble with comparable energetics to the all-atom systems. Furthermore, we show that a single coarse-grained potential can integrate all twelve proteins and can capture experimental structural features of mutated proteins. These results indicate that machine learning coarse-grained potentials could provide a feasible approach to simulate and understand protein dynamics.

准确的蛋白质结合亲和力预测在药物设计和许多其他分子识别问题中至关重要。尽管基于机器学习技术的亲和力预测取得了许多进步，但由于蛋白质 - 配体结合取决于原子和分子的动力学，它们仍然受到限制。为此，我们策划了一个包含3,218个动态蛋白质配合物的MD数据集，并进一步开发了DynaFormer，这是一个基于图的深度学习框架。 DynaFormer可以通过考虑相互作用的各种几何特征来完全捕获动态结合规则。我们的方法显示出优于迄今报告的方法。此外，我们通过将模型与基于结构的对接整合在一起，对热休克蛋白90（HSP90）进行了虚拟筛选。我们对其他基线进行了基准测试，表明我们的方法可以鉴定具有最高实验效力的分子。我们预计大规模的MD数据集和机器学习模型将形成新的协同作用，为加速药物发现和优化提供新的途径。

Drug development is a wide scientific field that faces many challenges these days. Among them are extremely high development costs, long development times, as well as a low number of new drugs that are approved each year. To solve these problems, new and innovate technologies are needed that make the drug discovery process of small-molecules more time and cost-efficient, and which allow to target previously undruggable target classes such as protein-protein interactions. Structure-based virtual screenings have become a leading contender in this context. In this review, we give an introduction to the foundations of structure-based virtual screenings, and survey their progress in the past few years. We outline key principles, recent success stories, new methods, available software, and promising future research directions. Virtual screenings have an enormous potential for the development of new small-molecule drugs, and are already starting to transform early-stage drug discovery.

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。

预测分子系统的结构和能量特性是分子模拟的基本任务之一，并且具有化学，生物学和医学的用例。在过去的十年中，机器学习算法的出现影响了各种任务的分子模拟，包括原子系统的财产预测。在本文中，我们提出了一种新的方法，用于将从简单分子系统获得的知识转移到更复杂的知识中，并具有明显的原子和自由度。特别是，我们专注于高自由能状态的分类。我们的方法依赖于（i）分子的新型超图表，编码所有相关信息来表征构象的势能，以及（ii）新的消息传递和汇总层来处理和对此类超图结构数据进行预测。尽管问题的复杂性，但我们的结果表明，从三丙氨酸转移到DECA-丙氨酸系统的转移学习中，AUC的AUC为0.92。此外，我们表明，相同的转移学习方法可以用无监督的方式分组，在具有相似的自由能值的簇中，deca-丙氨酸的各种二级结构。我们的研究代表了一个概念证明，即可以设计用于分子系统的可靠传输学习模型，为预测生物学相关系统的结构和能量性能的未开发途径铺平道路。

与靶蛋白具有高结合亲和力的药物样分子的产生仍然是药物发现中的一项困难和资源密集型任务。现有的方法主要采用强化学习，马尔可夫采样或以高斯过程为指导的深层生成模型，在生成具有高结合亲和力的分子时，通过基于计算量的物理学方法计算出的高结合亲和力。我们提出了对分子（豪华轿车）的潜在构成主义，它通过类似于Inceptionism的技术显着加速了分子的产生。豪华轿车采用序列的两个神经网络采用变异自动编码器生成的潜在空间和性质预测，从而使基于梯度的分子特性更快地基于梯度的反相比。综合实验表明，豪华轿车在基准任务上具有竞争力，并且在产生具有高结合亲和力的类似药物的化合物的新任务上，其最先进的技术表现出了最先进的技术，可针对两个蛋白质靶标达到纳摩尔范围。我们通过对绝对结合能的基于更准确的基于分子动力学的计算来证实这些基于对接的结果，并表明我们生成的类似药物的化合物之一的预测$ k_d $（结合亲和力的量度）为$ 6 \ cdot 10^ {-14} $ m针对人类雌激素受体，远远超出了典型的早期药物候选物和大多数FDA批准的药物的亲和力。代码可从https://github.com/rose-stl-lab/limo获得。

耐药性是对全球健康的重大威胁，以及整个疾病和药物发育的临床治疗中的重要疑虑。与药物结合有关的蛋白质中的突变是适应性耐药性的常见原因。因此，对突变如何影响药物和靶蛋白之间的相互作用的定量估计对于药物开发和临床实践来说是至关重要的。已经证明，依赖于分子动力学模拟，Rosetta方案以及机器学习方法的计算方法能够预测对蛋白质突变的配体亲和力变化。然而，严重限制的样本量和重质噪声诱导的过烧和泛化问题已经很广泛地采用了用于研究耐药性的机器学习。在本文中，我们提出了一种稳健的机器学习方法，称为Spldextratees，其可以准确地预测蛋白质突变并鉴定引起抗性突变的配体结合亲和力。特别是，所提出的方法按照易于学习的样本开始的特定方案级别，逐渐融入训练中的特定方案，然后在训练中迭代，然后在样本权重再验计算和模型更新之间迭代。此外，我们计算了基于物理的基于物理的结构特征，为机器学习模型提供了对这种数据有限预测任务的蛋白质的有价值的域知识。该实验证实了提出的方法在三种情况下预测激酶抑制剂抗性的方法，并实现了与分子动力学和Rosetta方法相当的预测准确性，具有较少的计算成本。

促性腺营养蛋白释放激素受体（GNRH1R）是治疗子宫疾病的有前途的治疗靶标。迄今为止，在临床研究中可以使用几个GNRH1R拮抗剂，而不满足多个财产约束。为了填补这一空白，我们旨在开发一个基于学习的框架，以促进有效，有效地发现具有理想特性的新的口服小型分子药物靶向GNRH1R。在目前的工作中，首先通过充分利用已知活性化合物和靶蛋白的结构的信息，首先提出了配体和结构组合模型，即LS-Molgen，首先提出了分子生成的方法，该信息通过其出色的性能证明了这一点。比分别基于配体或结构方法。然后，进行了A中的计算机筛选，包括活性预测，ADMET评估，分子对接和FEP计算，其中约30,000个生成的新型分子被缩小到8，以进行实验合成和验证。体外和体内实验表明，其中三个表现出有效的抑制活性（化合物5 IC50 = 0.856 nm，化合物6 IC50 = 0.901 nm，化合物7 IC50 = 2.54 nm对GNRH1R，并且化合物5在基本PK属性中表现良好例如半衰期，口服生物利用度和PPB等。我们认为，提议的配体和结构组合结合的分子生成模型和整个计算机辅助工作流程可能会扩展到从头开始的类似任务或铅优化的类似任务。

虽然最近在许多科学领域都变得无处不在，但对其评估的关注较少。对于分子生成模型，最先进的是孤立或与其输入有关的输出。但是，它们的生物学和功能特性（例如配体 - 靶标相互作用）尚未得到解决。在这项研究中，提出了一种新型的生物学启发的基准，用于评估分子生成模型。具体而言，设计了三个不同的参考数据集，并引入了与药物发现过程直接相关的一组指标。特别是我们提出了一个娱乐指标，将药物目标亲和力预测和分子对接应用作为评估生成产量的互补技术。虽然所有三个指标均在测试的生成模型中均表现出一致的结果，但对药物目标亲和力结合和分子对接分数进行了更详细的比较，表明单峰预测器可能会导致关于目标结合在分子水平和多模式方法的错误结论，而多模式的方法是错误的结论。因此优选。该框架的关键优点是，它通过明确关注配体 - 靶标相互作用，将先前的物理化学域知识纳入基准测试过程，从而创建了一种高效的工具，不仅用于评估分子生成型输出，而且还用于丰富富含分子生成的输出。一般而言，药物发现过程。

粗粒（CG）分子模拟已成为研究全原子模拟无法访问的时间和长度尺度上分子过程的标准工具。参数化CG力场以匹配全原子模拟，主要依赖于力匹配或相对熵最小化，这些熵最小化分别需要来自具有全原子或CG分辨率的昂贵模拟中的许多样本。在这里，我们提出了流量匹配，这是一种针对CG力场的新训练方法，它通过利用正常流量（一种生成的深度学习方法）来结合两种方法的优势。流量匹配首先训练标准化流程以表示CG概率密度，这等同于最小化相对熵而无需迭代CG模拟。随后，该流量根据学习分布生成样品和力，以通过力匹配来训练所需的CG能量模型。即使不需要全部原子模拟的力，流程匹配就数据效率的数量级优于经典力匹配，并产生CG模型，可以捕获小蛋白质的折叠和展开过渡。

最近，基于深度神经网络（DNN）的药物 - 目标相互作用（DTI）模型以高精度突出显示，具有实惠的计算成本。然而，模型在硅药物发现的实践中仍然是一个具有挑战性的问题。我们提出了两项​​关键策略，以提高DTI模型的概括。首先是通过用神经网络参数化的物理通知方程来预测原子原子对相互作用，并提供蛋白质 - 配体复合物作为其总和的总结合亲和力。通过增强更广泛的绑定姿势和配体来培训数据，我们进一步改善了模型泛化。我们验证了我们的模型，PIGNET，在评分职能（CASF）2016的比较评估中，展示了比以前的方法更优于对接和筛选力。我们的物理信息策略还通过可视化配体副结构的贡献来解释预测的亲和力，为进一步配体优化提供了见解。

蛋白质RNA相互作用对各种细胞活性至关重要。已经开发出实验和计算技术来研究相互作用。由于先前数据库的限制，尤其是缺乏蛋白质结构数据，大多数现有的计算方法严重依赖于序列数据，只有一小部分使用结构信息。最近，alphafold彻底改变了整个蛋白质和生物领域。可预应学，在即将到来的年份，也将显着促进蛋白质-RNA相互作用预测。在这项工作中，我们对该字段进行了彻底的审查，调查绑定站点和绑定偏好预测问题，并覆盖常用的数据集，功能和模型。我们还指出了这一领域的潜在挑战和机遇。本调查总结了过去的RBP-RNA互动领域的发展，并预见到了alphafold时代未来的发展。

基于机器学习（ML）的转向可以通过在线选择更科学意义的计算来提高基于合奏的模拟的性能。我们提出了DeepDrivemd，这是ML驱动的科学模拟转向的框架，我们用来通过在大型平行计算机上的有效耦合ML和HPC来实现分子动力学（MD）性能的稳定性提高。我们讨论了DeepDrivemd的设计，并描述了其性能。我们证明，与其他方法相对于其他方法，DeepDrivemd可以在100-1000倍加速度之间达到100-1000倍的加速度，这是通过执行的模拟时间量来衡量的，同时覆盖了模拟过程中采样的状态所量化的相同构象景观。实验是在最多1020个节点的领导级平台上进行的。该结果将DeepDrivemd作为ML驱动的HPC模拟方案的高性能框架建立，该场景支持不同的MD仿真和ML后端，并通过改善当前计算能力来改善长度和时间尺度来实现新的科学见解。

Proteins play a central role in biology from immune recognition to brain activity. While major advances in machine learning have improved our ability to predict protein structure from sequence, determining protein function from structure remains a major challenge. Here, we introduce Holographic Convolutional Neural Network (H-CNN) for proteins, which is a physically motivated machine learning approach to model amino acid preferences in protein structures. H-CNN reflects physical interactions in a protein structure and recapitulates the functional information stored in evolutionary data. H-CNN accurately predicts the impact of mutations on protein function, including stability and binding of protein complexes. Our interpretable computational model for protein structure-function maps could guide design of novel proteins with desired function.

蛋白质 - 配体相互作用（PLIS）是生化研究的基础，其鉴定对于估计合理治疗设计的生物物理和生化特性至关重要。目前，这些特性的实验表征是最准确的方法，然而，这是非常耗时和劳动密集型的。在这种情况下已经开发了许多计算方法，但大多数现有PLI预测大量取决于2D蛋白质序列数据。在这里，我们提出了一种新颖的并行图形神经网络（GNN），以集成PLI预测的知识表示和推理，以便通过专家知识引导的深度学习，并通过3D结构数据通知。我们开发了两个不同的GNN架构，GNNF是采用不同特种的基础实现，以增强域名认识，而GNNP是一种新颖的实现，可以预测未经分子间相互作用的先验知识。综合评价证明，GNN可以成功地捕获配体和蛋白质3D结构之间的二元相互作用，对于GNNF的测试精度和0.958，用于预测蛋白质 - 配体络合物的活性。这些模型进一步适用于回归任务以预测实验结合亲和力，PIC50对于药物效力和功效至关重要。我们在实验亲和力上达到0.66和0.65的Pearson相关系数，分别在PIC50和GNNP上进行0.50和0.51，优于基于2D序列的模型。我们的方法可以作为可解释和解释的人工智能（AI）工具，用于预测活动，效力和铅候选的生物物理性质。为此，我们通过筛选大型复合库并将我们的预测与实验测量数据进行比较来展示GNNP对SARS-COV-2蛋白靶标的实用性。

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.

核磁共振（NMR）光谱是结构生物学的主要技术之一，蛋白质数据库中沉积了11,800多个蛋白质结构。 NMR可以阐明溶液，活细胞和固体中中小型蛋白质的结构和动力学，但受到乏味的数据分析过程的限制。通常，它需要训练有素的专家进行数周或数月的手动工作，以将NMR测量变成蛋白质结构。该过程的自动化是一个空旷的问题，在30年前在该领域中提出。在这里，我们提出了解决这一挑战的解决方案，该解决方案可以在完成测量后几小时内对蛋白质NMR数据进行完全自动化的分析。仅使用NMR光谱和蛋白质序列作为输入，我们的基于机器学习的方法，Artina，可严格地提供信号位置，共振分配和结构，而无需任何人类干预。 Artina在包含1329个多维NMR光谱的100个蛋白基准测试中进行了测试，展示了其以1.44 {\ aa}中位数RMSD求解结构的能力，并识别91.36％的正确NMR共振分配。非专家可以使用Artina，从而减少了NMR的蛋白质分配或结构确定的努力，从而基本上是在样品的制备和光谱测量中进行的。

机器学习潜力是分子模拟的重要工具，但是由于缺乏高质量数据集来训练它们的发展，它们的开发阻碍了它们。我们描述了Spice数据集，这是一种新的量子化学数据集，用于训练与模拟与蛋白质相互作用的药物样的小分子相关的潜在。它包含超过110万个小分子，二聚体，二肽和溶剂化氨基酸的构象。它包括15个元素，带电和未充电的分子以及广泛的共价和非共价相互作用。它提供了在{\ omega} b97m-d3（bj）/def2-tzVPPD理论水平以及其他有用的数量（例如多极矩和键阶）上计算出的力和能量。我们在其上训练一组机器学习潜力，并证明它们可以在化学空间的广泛区域中实现化学精度。它可以作为创建可转移的，准备使用潜在功能用于分子模拟的宝贵资源。

使用精确能量功能的原子模拟可以为气体和冷凝相中的分子的功能运动提供分子水平洞察。与最近开发的和目前在整合和结合的努力与机器学习技术相结合，提供了一个独特的机会，使这种动态模拟更接近现实。这种观点界定了现场其他人的努力和您自己的工作的现状，并讨论了开放问题和未来的前景。