先给结论 · 2026-09-03

当前笔记本优先选择“结构先行”的三段组合

针对只有 target PDB、hotspot residues 和 peptide length,没有已知 binder的任务,当前最合适的主线是:官方 RFpeptides/RFdiffusion 生成环肽骨架 → ProteinMPNN v_48_020 设计肽链序列 → AfCycDesign 进行循环感知的独立重折叠和初筛。CycleDesigner/CycRFdiffusion 保留作第二套骨架生成器;HighFold3 等硬件升级或需要非天然氨基酸时再接回。

当前推荐
RFpeptides + ProteinMPNN + AfCycDesign;三段均已在本机实际产出结果
约 69 秒
126 aa target + 18 aa peptide、N=1、单 AF2 模型/1 recycle 的实测总墙钟
8 GB VRAM
RTX 4070 Laptop、30 GiB RAM、454 GB 可用磁盘;不适合完整 AF3/HighFold3 数据栈
关键 Binder 路线对比

同一范式从通用蛋白设计,发展到环肽专项并完成实验闭环

Nature 2023基础范式
RFdiffusion
骨架生成
→
ProteinMPNN
序列设计
→
AF2 / ESMFold
self-consistency
→
实验表征
结构与功能
CycleDesigner 2025目标特异环肽
CycRFdiffusion
→
ProteinMPNN
→
HighFold
→
scoring
functions
→
screening
TREM2 2026实验 proof-of-concept
CycleRFdiffusion
+ ProteinMPNN
→
HighFold
1,500 complexes
→
结构 + 能量
筛到 4 条
→
spectral shift
MST · SPR
→
TP4
弱但可重复结合
本机当前路线轻量可执行替代
RFpeptides
/ CycRFdiffusion
→
ProteinMPNN
v_48_020
→
AfCycDesign
替代 HighFold
→
iPAE · RMSD
结构 QC
→
screening
候选排序
结论:本机路线复用了 CycleDesigner 的核心工程结构,只把 HighFold/HighFold3 换成可在 8 GB 显存上运行的 AfCycDesign。它有论文方法学依据,但本机产生的候选仍必须经过批量筛选和实验验证。
版本选择图

三个方向分别看:骨架生成、序列设计、循环结构验证

① 骨架生成

RFdiffusion · 2023通用骨架 · target conditioning · binder 基础范式
CycRFdiffusion · 2025CycleDesigner 修改 · 环肽识别 · target-specific
RFpeptides · 2025 ✓ 主线官方 RFdiffusion 集成 · cyclic / cyc_chains · hotspot
本机 CycleDesigner clone第二生成器 · 论文复现 · 骨架多样性

② ProteinMPNN 权重

v_48_0020.02 Å training noise · 更贴近理想骨架
v_48_0100.10 Å noise · 中低扰动
v_48_020 ✓ 当前0.20 Å noise · 官方常用默认 · 容忍生成误差
v_48_0300.30 Å noise · 更强结构扰动
其他权重soluble-only · CA-only;当前任务不优先

③ 重折叠 / 验证

AF2 / AF-Multimer基础预测 · 不显式编码首尾成环
AfCycDesign ✓ 当前AF2 · cyclic offset · canonical AA · 轻量
HighFoldAF2/AFM · CycPOEM · 头尾环化 + 二硫键
HighFold2AF-Multimer · 非天然氨基酸 · 原子级特征
HighFold3 未来AF3 · CCD · CycPOEM · 化学表达最完整

RFdiffusion 的 7 个本地 checkpoint 是不同任务权重,不是 7 代软件。ProteinMPNN 的数字后缀表示训练时坐标噪声;HighFold/2/3 才是清晰的三代模型家族。

本机落地路线

保留 CycleDesigner 的五段结构,只替换当前跑不动的验证器

输入Target PDB
hotspots
peptide length
→
骨架生成主线:官方 RFpeptides
并行:CycRFdiffusion
→
序列设计ProteinMPNN
v_48_020
只设计 peptide
→
结构验证当前:AfCycDesign
未来:HighFold3
→
打分筛选iPAE · RMSD · pLDDT
闭环几何 · 界面接触
→
候选输出PDB · FASTA
scores.json
summary.csv
现在:RFpeptides → ProteinMPNN → AfCycDesign 已真实跑通,适合 canonical amino acids 的生成与第一轮筛选。
以后:获得高显存设备和完整 AF3 数据后,把同一位置的 AfCycDesign 换成 HighFold3;前两段无需推倒重来。
耗时预算

这台笔记本完成一次轻量计算约 1–2 分钟

阶段本机 N=1 实测说明
RFdiffusion 骨架生成约 38 秒;模型报告纯设计 0.51 分钟126 aa target + 18 aa peptide、50 diffusion steps;target 更长会明显变慢,官方说明复杂度随总残基数近似 O(N²)。
ProteinMPNN + 文件处理/QC约 13 秒;其中网络生成仅 0.205 秒大部分墙钟来自环境启动、PDB 解析、序列回填与 QC,而不是 MPNN 前向计算。
AfCycDesign 重折叠约 18 秒model_1_ptm、1 recycle、单序列;首次 JAX 编译、更多 models/recycles 或更大 target 会增加耗时。
完整 N=1约 69 秒从建立输出目录到 summary.csv 写完的实际文件时间跨度。
1 个
约 1–2 分钟:适合检查输入、热点和链 ID
20 个
粗估约 20–30 分钟:当前串行轻量配置,受模型加载与 target 长度影响
100 个
粗估约 1.5–2.5 小时:仅工程外推,不是已完成的批量基准

只有 N=1 是真实计时;20/100 个是按当前串行实现做的容量规划。正式筛选若增加每骨架序列数、5 个 AF2 模型和 3–6 次 recycle,验证阶段可能成为主要耗时。

验证器关键区别

当前能跑 AfCycDesign;未来用 HighFold3 扩展化学空间

AfCycDesign 本机已跑通

AF2 + cyclic offset标准 20 种 L-氨基酸 · 单序列轻量复折叠 · iPAE/RMSD 初筛

HighFold3 未来升级

AF3 + CycPOEM + CCD非天然氨基酸与复杂化学组分 · 资源需求显著更高

关键边界:AfCycDesign 可以替代当前 canonical cyclic peptide 的结构初筛,但不是 HighFold3 在非天然氨基酸和 CCD 化学表达上的功能等价替代。

真实回归结果

一次端到端计算已完成,但该候选应被淘汰

18 aa
ProteinMPNN 序列:DERAARRAAGDNTQVPNP
0.808
AfCycDesign pLDDT(归一化 0–1)
0.891
界面 iPAE;工程筛选阈值为 < 0.3,因此未通过
33.05 Å
靶蛋白对齐后的 peptide Cα RMSD;阈值为 < 1.5 Å
1.37 Å
预测肽链末端 C–N 距离,闭环几何检查通过
0
预测复合物中 <8 Å 的 Cα 界面接触数,显示肽链未保持预期界面
正确解读:这是 N=1 的工程冒烟测试,不是候选成功率基准。程序成功、PDB 完整、循环编码开启;但模型预测肽链偏离设计界面,质量状态为 FILTER_FAIL。实际设计应生成较大的候选池后排序和淘汰。

证据目录:/home/luohaoxuan/work/rfpeptide_pipeline/outputs/20260902_162243/

运行方法

一条命令运行完整三段流程

cd /home/luohaoxuan/work/rfpeptide_pipeline
bash run_pipeline.sh target.pdb "A45,A48,A52" 12 18 20
参数含义检查
target.pdb靶蛋白结构,可包含多条 target chainPDB 可解析;target chain 存在;坐标非 NaN
"A45,A48,A52"链 ID + PDB 残基编号形式的 hotspot每个热点必须真实存在,否则启动前报错
12 18最短与最长环肽长度逐长度生成,CycRFdiffusion 使用循环链设置
20骨架设计总数建议用于候选池,而非只生成 1 个

若只想运行旧的两段生成链路,可追加 --skip-afcycdesign。可用 --af-model model_1_ptm 和 --af-recycles 1 控制当前轻量评分配置。

文件与环境

输出目录和三个隔离环境

每次任务输出

  • backbones/:RFdiffusion 生成的复合物骨架 PDB
  • sequences/:ProteinMPNN FASTA 与回填序列的 PDB
  • afcycdesign/:每个候选的 prediction PDB 与 scores.json
  • summary.csv:序列、路径、评分与 PASS/FILTER_FAIL 汇总
  • logs/:各阶段完整标准输出和 traceback

Conda 环境

  • rfdiffusion:骨架生成
  • proteinmpnn:肽链序列设计
  • afcycdesign:AF2 循环感知重折叠与评分

环境彼此隔离;没有修改 NVIDIA Driver、系统 CUDA 或使用全局 pip。

整体流程问题

当前最重要的风险与下一步

  1. 热点质量决定搜索空间。热点编号正确并不代表它们可结合;应基于表面暴露、功能界面和实验知识选择。
  2. 生成阶段会有较高淘汰率。需要批量生成不同长度和随机种子的骨架,而不是对一个候选过度解释。
  3. 当前评分是轻量配置。真实回归仅使用一个 AF2 模型、一次 recycle,适合冒烟测试;正式筛选应提高 recycles、模型数并做复现。
  4. iPAE 与 RMSD 是筛选器,不是亲和力。它们衡量模型置信度与自洽性,不能直接替代 Kd、SPR/BLI 或细胞实验。
  5. AfCycDesign 主要覆盖标准氨基酸环肽。引入非天然氨基酸、修饰基团或更复杂化学约束时,应回到 HighFold3/AF3 或其他显式化学建模方案。
  6. 尚未包含精细物理优化。当前没有 Rosetta relax、能量分解、长时间 MD 或溶剂自由能计算。
  7. 多链 target 通过顺序拼接做对齐。脚本已处理多链 target,但输入链顺序和残基完整性仍需保持一致。
建议的实际推进方式:先按多个肽长生成数百级骨架,ProteinMPNN 每骨架设计多条序列,再用更充分的 AfCycDesign 配置分层筛选;对少量入围者做结构人工复核、物理优化与实验验证。
文献证据放在最后

从方法范式、环肽专项到实验命中,证据链是连续的

2023 · NatureRFdiffusion
建立 backbone generation → ProteinMPNN → structure-prediction self-consistency 的通用设计范式,并对设计结构和功能进行实验表征。
2025 · JCIMCycleDesigner
将 CycRFdiffusion、ProteinMPNN、HighFold 与 scoring functions 串联,形成 target-specific cyclic peptide binder 专项流程。
2026 · BMCLTREM2 case
1,500 个 peptide–TREM2 complexes → 结构/能量筛选 → 4 个候选 → spectral shift、MST、SPR;TP4 获得弱但可重复的结合信号。
2025 · Nat Chem BiolRFpeptides
直接证明 cyclic RFdiffusion → ProteinMPNN → AfCycDesign/RF2 过滤可用于高亲和力大环 binder 设计,为本机采用 AfCycDesign 提供直接依据。
对外说明可以概括为:这不是纯理论 pipeline。CycleDesigner 给出了环肽专项方法,TREM2 工作把同一思路推进到实验并得到可重复检测的 binder;本机当前实现保留了这条主线,只在验证环节采用资源更轻的 AfCycDesign。

原始论文与官方实现

  1. Watson et al. De novo design of protein structure and function with RFdiffusion. Nature, 2023.
  2. Zhang et al. CycleDesigner: Leveraging CycRFdiffusion and HighFold to Design Cyclic Peptide Binders for Specific Targets. Journal of Chemical Information and Modeling, 2025.
  3. Cho et al. AI-guided design of cyclic peptide binders targeting TREM2 using CycleRFdiffusion and experimental validation. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, volume 133, April 2026.
  4. Vázquez Torres et al. Accurate de novo design of high-affinity protein-binding macrocycles using deep learning. Nature Chemical Biology, 2025.
  5. Dauparas et al. Robust deep learning–based protein sequence design using ProteinMPNN. Science, 2022.
  6. Rettie et al. Cyclic peptide structure prediction and design using AlphaFold2. Nature Communications, 2025.
  7. Zhang et al. HighFold, 2024;Zhu et al. HighFold2, 2025;Cao et al. HighFold3, 2025.
  8. 官方实现:RFdiffusion/RFpeptides;ProteinMPNN;CycleDesigner;TREM2 pipeline.
  9. Google DeepMind. AlphaFold 3 官方安装与资源要求.

TREM2 论文对 TP4 的原文结论是 weak but reproducible binder;这里不把它表述为高亲和力命中。报告中的 iPAE < 0.3、peptide Cα RMSD < 1.5 Å 是工程筛选门槛,不等同于实验亲和力。