从头抗体设计

从头抗体设计是一项针对给定抗原/表位从头设计结合抗体的任务。它对于针对"难成药"抗原的抗体发现尤其有价值。

挑战

从头抗体设计的搜索空间非常庞大，因为我们需要在考虑抗体稳定性和成药性的同时，确定抗体结合位点中 30 多个残基的氨基酸类型和位置。传统方法难以在效率、新颖性和准确性之间取得平衡，而 BioGeometry 的生成式 AI 方法如 GeoFlow 在从头抗体设计中实现了业界领先的 18.7% 平均命中率。

（上）GeoFlow-V3 从头抗体设计流程。（下）在十个具有治疗相关性的表位上识别的结合抗体的结构。

流程概述

本节将对 GeoFlow-V3 从头抗体设计流程进行高层次的概述，以帮助您实现更好的设计结果。

• 从头设计: GeoFlow 以抗原和部分抗体序列作为输入，针对指定的目标表位设计抗体的初始序列和结构。
• 虚拟筛选: GeoFlow 以完整的抗原:抗体序列作为输入，输出置信度指标和预测结构，然后用于计算自洽性指标和抗体成药性指标。这些指标用于筛选出顶级候选分子以进行进一步优化。

• 虚拟进化: 如果任务输入中开启了"evolution（进化）"，GeoFlow 将对顶级候选分子执行多轮虚拟进化，以进一步提高顶级候选分子的结合率。每轮进化包括对选定抗体区域的部分重新设计和顶级候选分子选择。最终结果是最后一轮进化中的顶级候选分子。

  

  In silico 抗体进化过程示意图。

输入

要提交从头抗体设计任务，请打开项目编辑器并点击左侧边栏中的 "New Job（新建任务）" 按钮。然后点击 "Antibody Design（抗体设计）" 任务组下的 "De Novo Antibody Design（从头抗体设计）" 以打开任务提交页面。

• Antigen（抗原）: 目标抗原。

  • Structure（结构）: 选择包含所需抗原结构的任何 PDB 或 mmCIF 文件。如果该文件已经在结构查看器中打开，请点击 "Select from viewer"。如果该文件在您当前的项目中，请点击 "Select from project"。否则，您可以在文件与任务管理器中上传或从 PDB 等云数据库中导入。

  • Antigen（抗原）: 指定抗原残基，例如 A:3-27,B:10-50。请注意，多条抗原链之间的相对位置将保持不变。

  • Epitope（表位）: 构成抗原表位（抗体结合位点）的一组残基。输入以逗号分隔的连续序列片段列表，格式为 {chain}:{start_res}-{end_res}，例如 A:2-10,A:15-30,B:40-100。您还可以使用结构查看器从抗原结构中选择表位，然后点击 "import from selection" 以自动填充此输入框。

  表位格式

  在 GeoBiologics 中，表位残基列表由一个或多个"位点"和"片段"组成。

  • 每个位点表示为 {chain_id}:{res_id}，例如 H:100。
  • 每个片段表示为 {chain_id}:{start_res_id}-{end_res_id}。例如 H:100-112。请注意，起始和结束残基 ID 是 label residue IDs 而不是 author residue IDs。

  多个位点或片段可以用逗号连接，例如 H:100-110,H:111,H:111A,H:112B,L:50-60,L:92。

  从选择中导入抗原/表位

  点击 "Antigen（抗原）" 或 "Epitope（表位）" 输入框，您将在输入框下方看到 "open file" 或 "import from selection"。

  • 如果输入结构文件未在结构查看器中打开，您可以点击 "open file" 打开它。
  • 如果输入结构文件已在结构查看器中打开，您可以进入选择模式并在结构上选择突变位点。然后点击 "import from selection" 以自动填充此输入框。
  • 您还可以运行界面可视化任务，该任务将在结构查看器中创建界面"组件"。然后您可以选择抗原与抗体的界面并点击 "import from selection" 以自动填充此输入框。

  

• Antibody（抗体）: 具有待设计 CDR 区的抗体。

  • Sequence type（序列类型）: VH+VL（IgG）或 VH（纳米抗体）。
  • Antibody Name（抗体名称）: 抗体的名称。默认为 "Antibody 1"。要更改它，请将鼠标悬停在抗体名称上方，然后点击 "" 按钮。
  • Sequence（序列）: 指定抗体每个区域（FR1, CDR1, ..., FR4）的模板序列。待设计的 CDR 区残基需要指定为 "X"。如您要设计可变长度区域，请输入 "[X, {min_length}-{max_length}]"，例如 [X, 12-18]。FR 区残基不能被设计。
  CDR 模板示例

  • [X, 12-12]: 设计整个区域（12 个残基）。
  • [X, 10-18]: 设计整个区域（10-18 个残基）。
  • AR[X,3-6]A[X,3-3]: 部分重新设计。固定 3 个残基，在第一个片段中设计 3-6 个残基，在第二个片段中设计 3 个残基。
  • AR[X,3-5]CDXXTX: 部分重新设计。固定 5 个残基，在第一个片段（AR 之后）中设计 3-5 个残基，在第二个片段（CD 之后）中设计 2 个残基，在第三个片段（T 之后）中设计 1 个残基。

  

  • Import（导入）: 点击 "Import" 文本以从已验证的抗体（例如 Trastuzumab）或您自定义的抗体序列出发，填写抗体序列模板。

  

• Job Name（任务名称）: 任务的名称。请注意，任务名称在项目中必须是唯一的。

模型 & 参数

我们用于抗体设计的专有生成模型 GeoFlowV3 可用于此任务。该模型的参数如下。

• # Structure（设计结构数）: 生成的结构数量（默认为 10000）。如果您的输入包含多条抗体模板，每个生成的结构会随机选择一个抗体模板。
• # Seq/Struct（每个结构的序列数）: 每个有效结构生成的序列数量（默认为 40）。
• Experiment budget（实验预算）: 在代表性结构表中返回的设计数量（默认为 40）。如果您计划对设计结果进行手动结构检查，请指定比实际实验预算大 1-2 倍的数字。

参数选择提示

在实际项目中，建议您首先尝试运行 ~1000 个结构 × 4 个序列/结构 来验证表位，然后根据第一次运行中的虚拟筛选通过率调整参数。如果通过率较低，请尝试增加设计结构和序列的数量以获得足够的高排名候选分子。

结果

点击文件与任务管理器面板中的任务名称以查看任务结果。

任务结果：De Novo Antibody Design

任务小结

任务小结展示了有关设计序列、筛选条件和筛选后序列的关键信息。让我们在此详细说明：

• Designed sequences（设计后的序列）: 粗体数字显示了设计序列的总数。
  • : 点击预览前 500 个设计的序列及其分数。
  • : 鼠标悬停以下载（1）设计区域的序列及所有相应分数的 .csv 文件；（2）完整设计序列的 .FASTA 文件；（3）所有设计序列的 .tar.gz 文件。
• Filtered sequences（筛选后的序列）: 粗体数字显示了筛选后序列的总数。百分比是通过虚拟筛选过滤器的设计序列的比率。
  • : 点击预览前 500 个筛选后的序列及其分数。
  • : 点击下载（1）筛选区域的序列及所有相应分数的 .csv 文件；（2）完整筛选序列的 .FASTA 文件。
• Filtering criteria（筛选条件）: 虚拟筛选中使用的筛选条件。每个条件右侧都有一个百分比，表示通过该条件的序列的比率。您可以通过点击 "Edit" 来自定义筛选条件。筛选后的序列将相应更新。

虚拟筛选中计算的分数

虚拟筛选过程基于我们专有的 GeoFlow 模型，该模型通过计算以下分数来检查设计序列和结构之间的一致性：

• ipTM: 抗体:抗原复合物的预测界面 TM (Template modeling) 分数。分数越高表示界面区域的置信度越高。
• Ranking score（排名打分）: AlphaFold3 排名中使用的分数。它基本上是通过 \(\mathrm{wpTM} = 0.8 \times \mathrm{ipTM} + 0.2 \times \mathrm{pTM}\) 计算的预测加权 TM 分数，加上对无序区域和冲突的一些惩罚项。
• Interaction pSAE（相互作用 pSAE）: 在抗体-抗原残基对上平均的预测对齐误差分数。分数越高表示预测的抗体-抗原相互作用置信度越高。
• Target-aligned lRMSD（抗原对齐后的抗体 RMSD）: 在对齐预测和设计结构中的靶点（抗原）后，结构中抗体的均方根偏差（RMSD）。6Å 以内的分数表示良好的表位一致性。如果预测的表位（抗体结合位点）与设计结构相距较远，这项分数可能会很高。
• Binder-aligned lRMSD（抗体 RMSD）: 将预测的抗体与设计的抗体对齐时，抗体结构的均方根偏差（RMSD）。3Å 以内的分数表示良好的抗体结构一致性。这项分数一般都比较低。
• # Hydrogen bonds（氢键数）: 抗体和抗原之间的氢键数量。
• # Pi-pi stacking（Pi-pi 堆积数）: 抗体和抗原之间的 π-π 堆积相互作用数量。
• # Salt bridges（盐桥数）: 抗体和抗原之间的盐桥数量。
• # Cation-pi（阳离子-pi 数）: 抗体和抗原之间的阳离子-π 相互作用数量。
• # Hydrophobic（疏水相互作用数）: 抗体和抗原之间的疏水相互作用数量。
• # Interactions（相互作用数）: 抗体和抗原之间的非共价相互作用总数（以上各项互作数目之和）。

分数统计

本节显示了所有设计序列的分数统计信息。显示的统计信息包括均值、标准差、最小值和最大值，以及 5%、10%、25%、50%、75%、90% 和 95% 百分位数。您可以使用这些统计信息来了解分数的分布并设置筛选条件。

代表性结构

由于返回所有结构会使您的项目变得混乱，我们仅显示前 k 个（k = Experiment budget，即）结构及其相应的分数。您可以点击 "open" 在结构查看器中打开这些结构。