AlphaFold 2

AlphaFold 2，英国人工智能。2020年11月30日，该人工智能程序在蛋白质结构预测大赛CASP 14中，对大部分蛋白质结构的预测与真实结构只差一个原子的宽度，达到了人类利用冷冻电镜等复杂仪器观察预测的水平，这是蛋白质结构预测史无前例的巨大进步。对这一重大成果，生物领域的科学家反应强烈。

AlphaFold2

• 机器学习是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科；专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能；是人工智能核心，是使计算机具有智能的根本途径。 常见算法包括：决策树算法、朴素贝叶斯算法、支持向量机算法、随机森林算法、人工神经网络算法、Boosting与Bagging算法、关联规则算法、EM（期望最大化）算法、深度学习等。
• 机器学习
• seq2seq
• 在自然语言处理的很多应用中，输入和输出都可以是不定长序列。当输入和输出都是不定长序列时，我们可以使用编码器—解码器（encoder-decoder）或者seq2seq模型。序列到序列模型，简称seq2seq模型。这两个模型本质上都用到了两个循环神经网络，分别叫做编码器和解码器。编码器用来分析输入序列，解码器用来生成输出序列。两个循环神经网络是共同训练的。
• CNN的主要workflow是：第一步是卷积操作，将输入的图像数据转换为适合其它神经网络处理的抽象特征；其次是用池化（pooling）去除噪声，减少映射计算量。这最多包括两层，分别称为Subsampling和Pooling；第三步则是把这些抽象特征用于全链接卷积神经网络（FCN）；最后进入分类器，进行识别操作。
• 结构可以分为3层： 1、卷积层(Convolutional Layer)： 主要作用是提取特征。 2、池化层(Max Pooling Layer)：主要作用是下采样，不会损坏识别结果。 3、全连接层(Fully Connected Layer)：主要作用是分类。
• Convolutional Neural Network(卷积神经网络)
• CNN
• 计算公式
• 1、准备输入； 2、初始化权重； 3、推导key、query、value； 4、计算输入1的注意力的分； 5、计算softmax； 6、将分数与值相乘； 7、将权重与输出值相加，得到输出1；8、对于输入2和输入3，重复步骤4-7。
• 一个self-attention模块接收n个输入，然后返回n个输出。写一个self-attention步骤如下：
• K、Q、V求解
• self-attention
• Transformer
• AF 2 采用深度神经网络算法，从具有进化渊源的蛋白质分子群提取氨基酸残基间多序列比对信息（multiple sequence alignment, MSA）和残基对的特征（pair representation）作为初始的输入，经过两个主要模块，最终得到蛋白质的三维结构。第一个模块包括 48 个重复的 Evoformer 单元，通过这种类似于 Transformer 的结构，能够实现 MSA 与 pair representation 之间的信息交互，更好地提取空间及进化信息，输出 MSA 表示及残基对表示。第二个模块包括 8 个重复的结构单元，将氨基酸主链抽象为“残基气体”的形式，通过 IPA（Invariant Point Attention）网络，不断更新 Evoformer 中的输出 MSA 表示，并构建出蛋白质的三维结构。最后通过分子动力学模拟的简单优化，得到最终预测的蛋白质三维结构。
• AlphaFold 2利用蛋白质的信息构建了一个不同氨基酸之间距离的图表。然后通过注意力机制操纵这些图，计算每个氨基酸与另一个氨基酸的关系。
• AlphaFold2 没有借鉴 AlphaFold 使用的神经网络类似 ResNet 的残差卷积网络，而是采用最近 AI 研究中兴起的 Transformer 架构。通过多序列比对，把蛋白质的结构和生物信息整合到了深度学习算法中。即并没有采用往常简化了的原子间距或者接触图，而是直接训练蛋白质结构的原子坐标，并使用机器学习方法，对几乎所有的蛋白质都预测出了正确的拓扑学的结构。
• 基本技术：一个图形网络，以及一种称为注意力机制的变量处理方法
  • 1、图形网络
  • 2、注意力机制
• 百度百科：AlphaFold2，英国人工智能，DeepMind开发的第二代深度学习神经网络。2020年11月30日，该人工智能程序在蛋白质结构预测大赛CASP 14中，对大部分蛋白质结构的预测与真实结构只差一个原子的宽度，达到了人类利用冷冻电镜等复杂仪器观察预测的水平，这是蛋白质结构预测史无前例的巨大进步。对这一重大成果，生物领域的科学家反应强烈。
• Attention
• 解决问题的方法：将AlphaFold中所有的卷积神经网络，都替换成Attention。
• 出现的问题：这种从局部进行预测的方式，很有可能会忽略蛋白质结构信息的长距离依赖性。
• 工作原理：通过预测蛋白质中每对氨基酸之间的距离分布，以及连接它们的化学键之间的角度，将所有氨基酸对的测量结果汇总成2D的距离直方图，然后让卷积神经网络对这些图片进行学习，从而构建出蛋白质的3D结构。
• AlphaFold